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4. Ensayos de Tracción

Se procederá a la fabricación y ensayo de las de probetas a partir del rollo de tejido preimpregnado. Postriormente, se entrará en las condiciones y descripción de los ensayos , se finaliza con el análisis de los resultados arrojados por los mismos.

4.1 Fabricación de las probetas

Se procederá de acuerdo con lo estipulado en la norma del cliente [4] de Fabricación de estructuras con materiales compuestos de fibra de carbono (laminados y "sandwich"), y [7].

Se siguen los siguinetes pasos:

1. Apilado2. Bolsa de vacío3. Ciclos de Curado4. Recanteo y mecanizado

Paso 1: Apilado

Para apilamiento manual, una vez ambientados los materiales preimpregnados y ya cortados los patrones correspondientes se retirará el film protector de una de las caras del preimpregnado, efectuando esta operación con sumo cuidado de no desprender fibras, no alterar la alineación de éstas, ni producir daños. Las capas de material preimpregnado se colocarán una encima de la otra respetando las direcciones indicadas en el plano aplicable y minimizando la cantidad de aire atrapado bajo la capa.

Las capas son las láminas extraidas del rollo principal, cortadas con las dimensiones que se indican en las tablas 2 y 3, algunas de las cuales se aprecian en la fotografía 2.

Son de consideración las siguientes medidas adoptadas durante el proceso:

- Solo se permite la utilización y manejo de los materiales dentro de la zona climatizada (zona de lay-up).

- Se permite en el apilado una desviación del ± 5% con respecto a la dirección de la urdimbre.

- Durante la colocación de telas se evitarán las oclusiónes de aire, así como la formación de arrugas. Para ello, se "peinarán" en dirección paralela a las fibras con espátulas.

- Con el fin de mejorar el acople y pegajosidad de los preimpregnados se podrá utilizar sopladores de aire caliente siempre que la temperatura no exceda de 65ºC, durante un tiempo máximo de dos minutos.

Se aprecia el resultado de los apilados en la fotografía 10. Los contornos de cinta de corcho se colocan para el sangrado de resina que se produce durante el proceso de curado.

Fotografía 10: Apilado de los Prepreg

La numeración sirve para saber con qué cortes se corresponde cada panel. Véase la tabla 5:

Tabla 5. Guía de los paneles

1(B+C; 0º) 2 (A; 0º) 3 (B+C; 90º)

Longitud 270 270 250

Anchura 210 80 165

Nº de láminas 4 8 4

Paso 2: Bolsa de Vacío

Tras el apilado, los conjuntos se introducen en bolsas de vacío, en las que alcanzarán un primer estado de cohesión, en ausencia de aire.

La extracción del aire es fundamental ya que aire atrapado entre las capas se traduce tras el curado en poros e imperfecciones que pueden conducir a la formación de grietas.

En la norma [4] de Fabricación de estructuras con materiales compuestos de fibra de carbono (laminados y "sandwich") se especifica la estructura general de las bosas de vacio para laminados. Se reproduce dicho esquema en la figura 5. El esquema general de la bolsa de vacío también se especifica en el documento [1] del matrial.

Figura 5. Esquema general de bolsa de vacío para laminados

De acuerdo con el esquema anterior, se configura la bolsa. El tejido blanco que se aprecia es el tejido respirador de superficie, que permite hacer efectivo elvacío: sin su presencia, las ventosas de absorción se unirían a la película separadora, obstruyéndose.

Una vez hecho el vacío, se verifica con el brómetro de la bomba de extracción que éste se mantiene.

Fotografía 11: Formación de la bolsa de vacío

Una vez alcanzado el vacío, los apilados se mantienen en la bolsa (situada en la sala acondicionada) durante 24 h.

Paso 3: Curado

Durante el proceso de curado se produce la polimerización de la resina y las capas apiladas terminan de adherirse entre sí. Los procesos de curado se describen en las hojas de características del material. La descripción correspondiente al material en

cuestión extraida del correspondiente documento [1] se expone en la figura 6:

Figura 6. Ciclo de curado

Este ciclo se reproduce en la figura 7:

Figura 7. Esquema del ciclo de curado

Al preparar el autoclave, éste se conecta a las bolsas de vacío (fotografía 12). Las tres tareas principales desempeñadas por el autoclave:

- Aplicar presión y temperatura a los paneles, en tiempo y forma adecuada a las especificaciones del fabricante [1] a los paneles

- Controlar la evolución de la presión dentro de la bolsa de vacío, verificando que éste no se pierde.

- Extracción de los gases derivados del proceso de curado.

Fotografía 12: Preparación del autoclave para el curado

Finalizado el proceso de curado, el material exhibe el aspecto que se muestra en la fotografías 13 y 14.

Fotografía 13: Finalización del curado

Fotografía 14: Paneles tras el curado

Paso 4: Recanteado y Mecanizado

El primer proceso mecánico que se lleva a cabo sobre los paneles ya curados es el recanteado, con el que se eliminan los cantos imperfectos de los paneles.

El objetivo del mecanizado es obtener de los paneles las probetas de dimensiones expuestas en la tabla 2.

Para todas las fases del mecanizado de las probetas se sigue lo dispuesto en la norma del cliente [5]. Se emplea una sierra radial con disco de diamante, calibrada y refrigerada por agua. El agua, además, ayuda a la eliminación de las partículas de fibra y resina, nocivas para la salud y el medio ambiente

De los paneles 1 y 3 se han de fabricar dos tipos distintos de probetas: con y sin tacones (probetas tipo B y C, respectivamente; vease tabla 5). Por ello, tras el recanteado de los paneles, se procede a la mecanización parcial de estos 2 paneles con el objeto de sacar de cada uno de ellos 5 probetas, dejando el resto del panel para adherirle los tacones, tal y como puede apreciarse en la fotografía 15.

Fotografía 15: Mecanizado parcial de los paneles

En la fotografía 15, además de los paneles parcialmente mecanizados, se observan los tacones de fibra de vidrio que habrán de adherirse a las probetas que lo precisen. El proceso de fabricación y pegado de los tacones de fibra de vidrio se describe en el Anexo I.

En la fotografía siguiente (fotografía 16) se observan los sobrantes de los paneles 1 y 3, junto con el panel 2, todos ellos con los tacones de fibra de vidrio ya adheridos.

Fotografía 16: Paneles con tacones

Una vez adheridos los tacones, ya se puede proceder al mecanizado final de los paneles con tacón. La serie completa de probetas se expone en la fotografía 17:

Fotografía 17: Serie completa de probetas

Y en la tabla 6 se indica el número de probetas disponibles de cada tipo:

Tabla 6. Probetas

0º 90º

Tipo de probeta A B C B C

Nº probetas 5 5 5 4 5

En la tabla 6 se observa que se dispone de un total de 15 probetas con orientación 0º, frente a las 9 probetas con orientación 90º. De este último tipo se fabricó la mayor cantidad posible de acuerdo con la disponibilidad de material. Pese a no disponer de la misma cantidad a 90º que a 0º, se espera poder determinar si realmente existe algún tipo de diferencia estructural entre las dos direcciones.

Paso 5: Verificación dimensional de las probetas

Una vez fabricadas las probetas, se procede a su medición para determinar si sus dimensiones se adecúan a lo dispuesto en la norma. Se mide la anchura y espesor de las probetas en 5 puntos distintos y se calculan los valores medios.

A tal fin se emplea un calibre de precisión ± 0,01 mm para medir la anchura de las probetas; se emplea un micrómetro de precisión ± 0,001 mm para medir el espesor.

Se destaca la buena adecuación dimensional de las probetas obtenidas con respecto a las dimensiones especificadas en la norma [2] (vease tabla 1) . Se puede proceder, pues, con los ensayos.

Tabla 7. Verificación dimensional de las probetas

9

PROBETA TIPO "A"-0º PROBETA TIPO "B"-0º PROBETA TIPO "C"-0º PROBETA TIPO "C"-90º PROBETA TIPO "B"-90º

# ANCHURA ESPESO R # A NCHURA ESPESOR # ANCHURA ESPESO R # ANCHURA ESPESOR # ANCHURA ESPESO R

1

9,93 2,047

1

14,96 1,045

1

15,1 1,026

1

15,09 1,032

1

14,51 1,043

9,88 2,058 14,81 1,058 15,11 1,024 15,13 1,038 14,53 1,042

9,88 2,061 14,79 1,040 15,11 1,013 15,12 1,024 14,57 1,037

9,87 2,048 14,83 1,033 15,1 1,005 15,12 1,029 14,65 1,028

9,86 2,024 14,84 1,017 15,12 1,021 15,11 1,026 14,63 1,029

V . Medio 9,8840 2,0476 V . Medio 14,8460 1,0386 V . Medio 15,1080 1,0178 V . Medio 15,1140 1,0298 V . Medio 14,5780 1,0358


2

9,93 2,051

2

14,9 1,450

2

15,12 1,034

2

15,1 1,034

2

14,71 1,020

9,91 2,076 14,80 1,039 15,11 1,007 15,11 1,028 14,61 1,027

9,92 2,064 14,76 1,018 15,10 1,009 15,11 1,025 14,57 1,032

9,93 2,047 14,79 1,035 15,11 1,006 15,10 1,034 14,57 1,018

9,92 2,019 14,89 1,029 15,09 1,038 15,10 1,032 14,58 1,026



3

9,90 2,049

3

15,00 1,041

3

15,08 1,037

3

15,10 1,022

3

14,83 1,017

9,90 2,053 14,84 1,045 15,08 1,022 15,09 1,019 14,79 1,029

9,91 2,054 14,83 1,038 15,09 1,015 15,10 1,024 14,77 1,011

9,92 2,051 14,85 1,040 15,06 1,023 15,11 1,005 14,77 1,024

9,92 2,051 14,88 1,024 15,08 1,019 15,14 1,014 14,76 1,028



4

9,90 2,056

4

14,85 1,036

4

15,07 1,031

4

15,09 1,007

4

14,77 1,022

9,87 2,043 14,74 1,046 15,08 1,024 15,11 1,015 14,70 1,038

9,83 2,061 14,73 1,040 15,08 1,019 15,12 1,018 14,68 1,026

9,80 2,046 14,75 1,030 15,07 1,021 15,10 1,021 14,70 1,025

9,80 2,017 14,79 1,042 15,08 1,027 15,11 1,011 14,72 1,021


# ANCHURA ESPESO R # A NCHURA ESPESOR # ANCHURA ESPESO R # ANCHURA ESPESOR

5

9,90 2,073

5

14,88 1,035

5

15,06 1,011

5

15,06 1,024

9,85 2,064 14,84 1,029 15,09 1,026 15,09 1,140

9,84 2,072 14,85 1,030 15,09 1,027 15,11 1,030

9,84 2,045 14,89 1,023 15,07 1,004 15,12 1,008

9,85 2,009 14,90 1,032 15,09 1,027 15,16 1,017

V . Medio 9,8560 2,0526 V . Medio 14,8720 1,0298 V . Medio 15,0800 1,0190 V . Medio 15,1080 1,0438

4.2 Condiciones generales de los ensayos y resultados

Se exponen en la tabla 8 las condiciones generales de los ensayos:

Tabla 8. Condiciones generales de los ensayos

MáquinaCélula de

Carga (Kg)Extensómetro Mordazas Temperatura Humedad Mecanizado

INSTRON 4482 10000 No Manuales 22ºC 50,00% Sí

No se incluye extensómetro pues el interés se ciñe a la resistencia a tracción.

Durante la preparación de los ensayos se ha de prestar la máxima atención a la verticalidad de las probetas, asegurando que éstas sean perpendiculares a las mordazas de apriete, para lo cual se emplea un útil fabricado a tal efecto.

De acuerdo con la norma [1], la resistencia a la tracción se calculará como:

σΤ11=PRbh

donde:PR=Carga de Rotura en Newtons ;b=anchura enmm ;h=espesor enmm.

Los resultados de los ensayos (las gráficas de todos los ensayos se exponen en las páginas 28-30) se exponen en las tablas 9, 10, 11, 12 y 13. En cada tabla se muestran los resultados de los ensayos para las probetas de igual tipo y orientación. Cada tabla recoge las medidas dimensionales, la carga última y el valor de σΤ11 de cada probeta del grupo, así como sus valores medios. Las tablas también recogen la desviación Estándar σ y el Coeficiente de variación (Cv) de los ensayos, calculados como

Tabla 9. Ensayos EN 2561; probeta Tipo A, 0º

EN

25

61

A (

0º)

Probeta # Anchura (mm) Espesor (mm) Carga Última (N) σΤ11 (MPa)

1 9,88 2,05 9020,3 445,83

2 9,91 2,05 9296,94 457,63

3 9,92 2,05 9528,45 468,55

4 9,84 2,04 9328,33 464,71

5 9,86 2,05 10016,01 495,72

Valor Medio 9438 466,49

Desviación Estándar 370,37 18,49

Coeficiente de Variación (%) 3,92 3,96

Tabla 10. Ensayos EN 2561; probeta Tipo B, 0º

EN

25

61

B (

0º)


1 14,84 1,04 8498,4 550,64

2 14,82 1,11 7313,35 444,85

3 14,88 1,03 7292,75 475,83

4 14,77 1,04 7766,58 505,61

5 14,87 1,03 6963,14 455,07

Valor Medio 7566,85 486,35



Tabla 11. Ensayos EN 2561; probeta Tipo C, 0º

EN

25

61

C (

0º)


1 15,11 1,02 6423,59 417,74

2 15,11 1,02 7637,09 496,24

3 15,08 1,02 7308,45 473,72

4 15,08 1,02 8106 524,87

5 15,08 1,02 6739,47 438,58

Valor Medio 7242,92 470,23



Tabla 12. Ensayos EN 2561; probeta Tipo C, 90º

EN

25

61

C (

90

º)


1 15,11 1,03 4503,77 289,36

2 15,1 1,03 4342,89 278,99

3 15,11 1,02 3392,3 220,83

4 15,11 1,01 4974,65 324,64

5 15,11 1,04 4208,49 266,87

Valor Medio 4284,42 276,14



Tabla 13. Ensayos EN 2561; probeta Tipo B, 90º

EN

25

61

B (

90

º)


1 14,58 1,04 4700,95 310,02

2 14,6 1,02 5019,78 337,08

3 14,78 1,02 3078,38 204,2

4 14,71 1,03 4982,5 328,85

Valor Medio 4445,4 295,04



Nota: Valor Max; Valor Min

En la tabla 14 se exponen todos los valores medios para la Resistencia a la Tracción (Mpa) arrojados por los ensayos, junto con el valor esperado dado por la calificación del fabricante [1].

Tabla 14. Resumen de resultados y valor esperado

Serie de Ensayos ̄σΤ11 (MPa)

0º

EN 2561 A 466,49

EN 2561 B 486,35

EN 2561 C 470,23

90ºEN 2561 B 295,04

EN 2561 C 276,14

Valor Esperadosegún [1]

500-550

A continuación se exponen las gráficas de todos los ensayos.

En las gráficas se puede apreciar como en todos los casos el material exhibe el comportamiento elástico lineal esperado.

En todos los casos el criterio impuesto en los ensayos fue el aumento de extensión a ritmo constante (control de la máquina en los desplazamientos), aplicando para ello la carga necesaria. Se observa que la tensión aumenta en relación lineal con la extensión, hasta el momento de la rotura y sin que se atraviese capítulo alguno de plastificación previa, en ningún caso, tal y como era de esperar en este tipo de material.

Gráficas de los Ensayos EN 2561; probetas Tipo A, 0º

Gráficas de los Ensayos EN 2561; probetas Tipo B, 0º

13

Gráficas de los Ensayos EN 2561; probetas Tipo C, 0º

Gráficas de los Ensayos EN 2561; probetas Tipo B, 90º

14

Gráficas de los Ensayos EN 2561; probetas Tipo C, 90º

15

4.3 Análisis de los resultados del ensayo de tracción

En las fotografías 18 y 19 se puede apreciar como la rotura de las probetas se produce por sección neta, perpendicular a la dirección de tracción.

En la fotografía 20 se expone la serie completa de todas las probetas ensayadas. También ahí se puede apreciar que la rotura de éstas se produce por sección neta, perpendicular a la dirección de tracción.

Fotografía 18

Fotografía 19

Fotografía 20. Todas las probetas ensayadas

La rotura se produce siempre en algún lugar situado entre las mordazas, sin que en ningún momento se produzca rotura por los tacones o por los puntos de tracción, salvo en el caso de la probeta #1 de la serie 90C (la más a la izquierda en la fotografía 20) en la que la rotura se produjo en el interior de la mordaza. No obstante, cabe resaltar que esta probeta en cuestión fue la primera que se ensayó sin tacones y debido a un mal cálculo al apretar las mordazas resbaló durante el ensayo. En la fotografía 21 podemos observar las marcas longitudinales producidas por las mordazas al resbalar. Sin embargo, pese al fallo en el procedimiento de ensayo, la probeta arrojó un valor de la tensión de rotura totalmente adecuado al grupo al que pertenece, tal y como puede apreciarse en la tabla 12.

Fotografía 21. Probeta resbalada

En las probetas de la serie OºC puede parecer que la rotura llegue a producirse dentro de las mordazas. Con el fin de despejar dudas, en la fotografía 22 se ha señalado la marca de las mordazas para los casos más dudosos, demostrando que la rotura se produjo fuera de éstas.

Fotografía 22. Marcas de las mordazas

Vemos que hay algunas probetas que, al ceder, se rompen en más de un trozo. Es este un fenómeno relativamente frecuente cuando tratamos con materiales compuestos. Se piensa que, al romper por sección neta, se producen movimientos en la probeta que hacen que otros que los trozos salten por flexión.

Volviendo sobre los resultados expuestos en las tablas 9, 10, 11, 12 y 13, nos fijamos en los valores medios de la resistencia a tracción. Se ha copiado nuevamente la tabla 14, en la que se resumen los resultados de éstos valores, y se le ha añadido una columna en la que se presenta el coeficiente de variación.

Tabla 14-bis

Serie de Ensayos ̄σΤ11 (MPa) CV (%)

0º

EN 2561 A 466,49 3,96

EN 2561 B 486,35 8,81

EN 2561 C 470,23 9,17

90ºEN 2561 B 295,04 20,88

EN 2561 C 276,14 13,65

Valor Esperadosegún [1]

500-550

Se observa que para la dirección 90º los resultados difieren enormemente de los resultados para la sirección 0º; no solo decaen sustancialmente los valores medios de la resistencia a tracción, sino que, además, los valores del coeficiente de variación se disparan.

A la vista de los valores de Cv expuestos en la tabla 14-bis, cabría pensar que en la nube de los resultados de ensayos de las probetas de 90º hay puntos que, por

divergentes, sería lógico no tener en cuenta. Si nos fijamos en las tablas 12 y 13 , se han señalado con un '*' los valores mas divergentes y se han vuelto a calcular los valores de σ̄ y Cv sin tenerlos en cuenta:

Tabla 12-bis. Ensayos EN 2561; probeta Tipo C, 90º

EN

25

61

C (

90

º)


1 15,11 1,03 4503,77 289,36

2 15,1 1,03 4342,89 278,99

3 15,11 1,02 3392,3 220,83*

4 15,11 1,01 4974,65 324,64*

5 15,11 1,04 4208,49 266,87

Valor Medio 4284,42 276,14



Valor Medio (sin tener en cuenta los '*') 278,4

Coeficiente de Variación (%) (sin tener en cuenta los '*') 3,3

Tabla 13-bis. Ensayos EN 2561; probeta Tipo B, 90º

EN

25

61

B (

90

º)


1 14,58 1,04 4700,95 310,02

2 14,6 1,02 5019,78 337,08

3 14,78 1,02 3078,38 204,2*

4 14,71 1,03 4982,5 328,85

Valor Medio 4445,4 295,04



Valor Medio (sin tener en cuenta los '*') 325,31

Coeficiente de Variación (%) (sin tener en cuenta los '*') 4,26

Se observa que tras eliminar los puntos más divergentes el coeficiente de variación mejora muy sensiblemente, pero σ̄ sigue sin acercarse ni a los valores obtenidos para la dirección 0º, ni para el valor dado por [1].

En la gráfica 6 se exponen los resultados de los ensayos con los nuevos valores para el valor medio representados en las tablas 12-bis y 13-bis.

En la gráfica 7 se exponen los resultados de los ensayos con los valores medios representados en las tablas 12 y 13.

En resumen, se aprecia claramente la diferencia entre las direcciones 0º y 90º y como ninguna de las dos llega a los valores dados por el fabricante.

Gráfica 6. Gráfica I comparativa de los ensayos

Gráfica 7. Gráfica II comparativa de los ensayos

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