Proyecto de Grado Definitivo

1

APLICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS PARA LA

MANUFACTURA DE TUBOS: RESINA EPÓXICA REFORZADA CON

FIBRAS DE BAMBÚ

CARLOS FELIPE DUQUE GONZÁLEZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

2010

2

APLICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS PARA LA

MANUFACTURA DE TUBOS: RESINA EPÓXICA REFORZADA CON

FIBRAS DE BAMBÚ

CARLOS FELIPE DUQUE GONZÁLEZ

Trabajo de grado para optar por el título de

Ingeniero Mecánico

Asesor

Alejandro Marañón León, PhD.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

2010

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AGRADECIMIENTOS A: Las tres personas sin quienes esto hubiera sido posible. Mis padres, quienes con su apoyo incondicional, me ensenaron que en la vida hasta la tarea más ardua se puede completar si se afronta paso a paso. Mi hermanito, que compartiendo mis sueños me brindo siempre la motivación necesaria para culminar esta etapa.

4

CONTENIDO

�

INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 9�1.� Marco teórico ......................................................................................... 12�

1.1 Bobinado de filamentos ................................................................... 14�

1.1.1 Técnicas de hilado ..................................................................... 17�

1.1.1.1 Técnica polar .......................................................................... 17�

1.1.1.2 Técnica en anillos ................................................................... 18�

1.1.1.3 Técnica helicoidal ................................................................... 19�

1.1.2 Simulación Teórica del Proceso de Bobinado de Filamentos .... 20�

1.1.2.1 Sub-Modelo: Movimiento de Fibras ........................................ 21�

1.1.2.2 Sub-Modelo: Esfuerzo–Deformación ...................................... 23�

1.1.2 Ventajas y Desventajas del Proceso de Manufactura ................ 25�

1.1.3 Ventajas y Desventajas del Proceso de Manufactura ................ 26�

1.2 Materias Primas............................................................................... 27�

1.2.1 Fibras ......................................................................................... 27�

1.2.1.1 Fibra de Bambú ...................................................................... 27�

1.2.2 Resinas ...................................................................................... 30�

1.2.2.1 Resinas Termoestables .......................................................... 30�

1.2.2.1.1 Resina Epóxica Cristalán 856® ........................................... 31�

2.� PROCEDIMIENTO ................................................................................. 33�2.1 Selección y Caracterización del Material ......................................... 33�

2.1.1 Caracterización de la Fibra de Bambú ....................................... 34�

2.1.2 Caracterización de la Resina Epóxica Cristalán 856® ............... 35�

2.2 Acondicionamiento de la Máquina para el Proceso ........................ 36�

2.3 Automatización ................................................................................ 37�

2.4 Motores ........................................................................................... 39�

2.4.1 Modelo Cinemático de su Funcionamiento ................................ 39�

5

2.4.2 Independización de los Motores ................................................ 42�

3.� METODOLOGÍA .................................................................................... 47�3.1 Obtención de Muestras ................................................................... 47�

3.2 Obtención de Probetas ................................................................. 58�

3.3 Pruebas Mecánicas ......................................................................... 64�

3.4 Resultados ...................................................................................... 66�

3.4.1 Tensión Transversal .................................................................. 66�

3.4.2 Tensión Longitudinal .................................................................. 68�

3.5 Análisis de Resultados .................................................................... 70�

3.6 Estudio Comparativo ....................................................................... 71�

4.� CONCLUSIONES .................................................................................. 74�5.� REFERENCIAS ...................................................................................... 76�

6

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Funciones de los Constituyentes de un Material Compuesto�. ......... 14

Tabla 2. Características, Sub-Modelos Bobinado de Filamentos. .................... 20

Tabla 3. Ventajas y Desventajas Bobinado de Filamentos. .............................. 26

Tabla 4. Composición Resina Cristalán 856®. .................................................. 26

Tabla 5. Propiedades Resina Cristalán 856® .................................................... 32

Tabla 6. Especificaciones Técnicas Resina Cristalán 856® .............................. 32

Tabla 7. Pruebas Experimentales, Cambios de estado resina 856® ................ 35

Tabla 8. Medidas Constantes Dimensionales Máquina Prototipo ..................... 41

Tabla 9. Caracterización Motor Carro Transversal ........................................... 45

Tabla 10. Caracterización Motor Mandril .......................................................... 45

Tabla 11. Dimensiones Producto Terminado�. ............................................... 53

Tabla 12. Valor Experimental RPM Carro�. .................................................... 56

Tabla 13. Valor Experimental RPM Mandril�. ................................................. 56

Tabla 14. Valor Teórico RPM Carro.................................................................. 56

Tabla 15. Observaciones Resultado de las Variaciones de Velocidades en el

Mandril .............................................................................................................. 58

Tabla 16. Dimensiones Probetas, Prueba Tensión Longitudinal ...................... 59

Tabla 17. Dimensiones Probetas, Prueba Tensión Transversal ....................... 60

Tabla 18. Resultados Cuantitativos, Prueba Tensión Transversal�. ............... 67

Tabla 19. Resultados Cuantitativos, Prueba Tensión Transversal�. ............... 67

Tabla 20. Resultados Cuantitativos, Prueba Tensión Longitudinal�. .............. 69

Tabla 21. Resultados Cuantitativos, Prueba Tensión Longitudinal�. .............. 70

Tabla 22. Resultados Estudio Fibra de Vidrio, Tensión Longitudinal�. ........... 72

Tabla 23. Resultados Estudio Fibra de Vidrio, Tensión Longitudinal�. ........... 72

7

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Clasificación y composiciones de materiales compuestos ................ 13

Figura 2. Esquema funcionamiento máquina de bobinado de filamentos......... 15

Figura 3. Esquema técnica de hilado polar ....................................................... 18

Figura 4. Esquema técnica de hilado en anillos ............................................... 18

Figura 5. Esquema técnica de hilado helicoidal ................................................ 19

Figura 6. Esquema sub-modelo, movimiento de fibras ..................................... 21

Figura 7. Esquema bobinado de filamentos ..................................................... 26

Figura 8. Fibra de bambú ................................................................................. 28

Figura 9. Fibra de bambú no hilada, proceso de explosión por vapor .............. 29

Figura 10. Resina epóxica Cristalán 856® ....................................................... 31

Figura 11. Diagrama de actividades, procedimiento ......................................... 33

Figura 12. Antiguo sistema de remoción de exceso de resina ......................... 36

Figura 13. Nuevo sistema de remoción de exceso de resina ........................... 37

Figura 14. Sensores de señal (finales de carrera) ............................................ 37

Figura 15. Contactores de bobina 110V ........................................................... 38

Figura 16. Plano montaje eléctrico automatización .......................................... 38

Figura 17. Esquema vectorial de velocidades .................................................. 40

Figura 18. Transformador y tarjeta regulada conjunta ...................................... 43

Figura 19. Tarjetas reguladas independientes .................................................. 44

Figura 20. Plano eléctrico tarjetas independientes ........................................... 44

Figura 21. Gráfico de caracterización, motor carro transversal ........................ 46

Figura 22. Gráfico de caracterización, motor mandril ....................................... 46

Figura 23. Diagrama de actividades, metodología ........................................... 47

Figura 24. Aplicación agente desmoldante ....................................................... 48

Figura 25. Aplicación agente desmoldante ....................................................... 49

Figura 26. Preparación de la resina .................................................................. 50

8

Figura 27. Preparación de la resina .................................................................. 50

Figura 28. Máquina prototipo lista para proceso de conformación ................... 51

Figura 29. Proceso de conformación, impregnación de resina ......................... 51

Figura 30. Proceso de conformación, hilado de fibras sobre mandril ............... 52

Figura 31. Proceso de conformación, primer tubo obtenido ............................. 52

Figura 32. Producto terminado. ........................................................................ 53

Figura 33. Producto terminado ......................................................................... 54

Figura 34. Medición experimental del ángulo de las fibras ............................... 57

Figura 35. Corte tubos, para obtención de probetas. ....................................... 60

Figura 36. Corte tubos, para obtención de probetas ........................................ 61




Figura 40. Probetas, tensión longitudinal, para acabados superficiales lisos y

rugosos ............................................................................................................. 63

Figura 41. Probetas, tensión transversal, para acabados superficiales lisos y

rugosos ............................................................................................................. 63

Figura 42. Prueba tensión transversal. ............................................................. 64

Figura 43. Prueba tensión transversal .............................................................. 65

Figura 44. Prueba tensión longitudinal ............................................................. 65

Figura 45. Curva esfuerzo deformación, tensión transversal ............................ 66

Figura 46. Curva esfuerzo deformación, tensión longitudinal ........................... 68

9

INTRODUCCIÓN

Con el propósito de desarrollar nuevas opciones para la disminución de

costos e incrementar las propiedades mecánicas en cualquier campo de

operación de un proceso industrial, en los cuales se requiere el uso de

materiales de frecuente implementación; surge la necesidad de estudiar formas

alternativas e innovadoras para la obtención de nuevas mezclas de materiales

y productos que permitan alcanzar los propósitos mencionados.

Es así como, en el campo de los materiales poliméricos se ha venido

estudiando y desarrollando a gran escala, la investigación sistemática y

continua de estos materiales, reemplazando a los metales y cerámicos en gran

variedad de aplicaciones industriales. Habiéndose obtenido grandes logros que

los posicionan como los materiales más utilizados en la fabricación de

productos.

Desde el punto de vista medio ambiental, esta investigación permitirá

ahondar en las ventajas y desventajas de los compuestos utilizados en estas

aplicaciones, los cuales producen contaminación, debido a su baja

biodegradabilidad, y una reducida posibilidad de reciclaje una vez cumplen su

periodo de vida útil, dada su difícil procesabiilidad.

Es de notar que actualmente existen diversos estudios desarrollados sobre

los materiales compuestos, específicamente los plásticos reforzados con fibras

que se han llevado a cabo y cuyo objetivo primordial es el estudio y análisis de

las propiedades de éstos materiales; Giovanni Salgado en su proyecto de

10

grado “Materiales compuestos: tubos en fibra de vidrio reforzados con resina

poliéster”, desarrollo pruebas sobre tubos de resina poliéster reforzados con

fibra de vidrio, desarrollados mediante el proceso de manufactura de bobinado

de filamentos. Desde otro enfoque, Alicia Porras en su tesis de maestría en

ingeniería mecánica “Desarrollo y caracterización de materiales compuestos a

partir de PLA y tela de bambú” desarrolló pruebas sobre laminados coextruídos

en varias capas de PLA y tela de bambú, analizando las propiedades que el

bambú provee como capa de refuerzo.

Dado que la apuesta investigativa se orienta hacia la utilización de fibras

naturales –bambú (Guadua Angustifolia)�específicamente– como refuerzo a una

resina polimérica sintética, el objetivo primordial del proyecto es obtener tubería

en plásticos reforzados con fibra, la cual tendrá un matriz polimérica sintética,

con un refuerzo de fibra natural, desarrollada por medio del proceso de

manufactura de bobinado de filamentos; así apostar a la obtención de nuevas

mezclas de materiales con el fin de desarrollar una evaluación comparativa,

destacando ventajas y desventajas como las de las propiedades mecánicas

implícitas, el incremento en la eficiencia y racionalización en el uso de

materiales y un importante avance en la residuabilidad; se entran a manejar

variables tales como la resina de la matriz y la fibra de refuerzo. Con base al

comportamiento de dichas variables, se diseña para la obtención de tubos por

medio del proceso de manufactura de bobinado de filamentos, con el objetivo

de caracterizar las propiedades del compuesto obtenido en el producto final y

finalmente el análisis y comparación de dichas propiedades con las de otros

compuestos existentes.

Existen diferentes métodos de obtener geometrías cilíndricas a partir de

resinas reforzadas con fibras, –compuestos que comúnmente están

constituidos por una matriz polimérica, reforzada con fibras de vidrio, carbono y

aramidas– entre estos métodos, se destacan: el proceso de tendido manual

(Hand Lay-Up), el moldeo por transferencia de resina (RTM), la pultrusión, el

11

método de Roll Wrapping y por último el bobinado de filamentos (Filament

Winding).

La determinación de enfocar el presente proyecto de grado en el estudio de

este tipo de materiales, se fundamentó en la necesidad de contribuir al

desarrollo de las técnicas que permiten generar compuestos con propiedades

mecánicas excelentes. La investigación sugerida cuenta además con los

avances logrados por el departamento de Ingeniería Mecánica de la

Universidad de Los Andes, que cuenta con un prototipo a escala desarrollado

para la generación de cuerpos tubulares por medio del proceso de bobinado

de filamentos (Filament Winding).

Finalmente alcanzar el produto terminado, requiere seguir un esquema para

el desarrollo del proceso, a través del cual se alcanzan objetivos tales como la

caracterización de las materias primas, el estudio de los efectos físicos y

mecánicos del proceso de consolidación tales como velocidades y fuerzas

intrínsecas del proceso, la realización de pruebas para la obtención de las

características y el estudio y análisis de los resultados obtenidos.

12

1. MARCO TEÓRICO

Los materiales compuestos sintéticos se vienen utilizando desde antes de la

década de los 1960, pero fue precisamente durante éste periodo cuando su

aplicación cobro particular interés por parte del sector industrial, –

especialmente en los compuestos con base polimérica– convirtiéndolos en

materiales de ingeniería de uso común. Este avance fue posible dado que la

industria en desarrollo se percato del potencial de los materiales compuestos

para reemplazar a los muy utilizados: acero y aluminio, con un mayor

desempeño, pudiendo ahorrar entre 60-80% en peso de componentes al

reemplazar al acero y entre 20-50% en peso con el aluminio1, éstas ventajas en

propiedades y características de los materiales compuestos se atribuye, según

Sanjay K. Mazumdar, a que las propiedades finales de los compuestos son

mejores que las de cada material constituyente por separado.

1 MAZUMDAR, Sanjay K. Composites manufacturing: materials, product and process engineering . Boca Raton : CRC Press, 2002.

13

Los compuestos se clasifican en diversas formas y composiciones, como se

muestra a continuación:

Figura 1. Clasificación y composiciones de materiales compuestos.2

Así que la amplia gama de compuestos permite escoger una combinación

física de sus componentes óptima para el uso que se requiera. Cada

componente (matriz, refuerzo) de un compuesto tiene una tarea única y

complementaria al otro; donde la matriz provee rigidez o tenacidad y resistencia

al ambiente y al desgaste, los refuerzos proveen dureza, resistencia mecánica

y soportan cargas presentes en aplicaciones estructurales.


14

Algunas funciones de la matriz y de los refuerzos en un compuesto se

muestran a continuación:

Funciones de los refuerzos Funciones de la matriz

Resistir la carga aplicada (en un

compuesto estructural, entre el 70-90%

de la carga se sostiene en las fibras)

Unir las fibras transferir la carga a las

mismas

Proveer dureza, resistencia

mecánica

Proveer rigidez o tenacidad y dar

forma a la estructura

Proveer conductividad eléctrica o

aislamiento

Permitir que cada fibra actúe

individualmente, lo que hace que se

disminuya la velocidad de propagación de

grieta

Proveer estabilidad térmica Proteger las fibras contra desgaste y

ataque químico

Tabla 1. Funciones de los Constituyentes de un Material Compuesto.3

Los compuestos reforzados con fibras, se diferencian de otros tipos de

compuestos en que los materiales constituyentes del compuesto son

molecularmente distintos y mecánicamente separables a diferencia de

compuestos como aleaciones metálicas, minerales, co-polímeros, etc.

1.1 Bobinado de filamentos

El bobinado de filamentos es un proceso que se utiliza a nivel industrial para

generar tubería con materiales compuestos para aplicaciones de altas

exigencias mecánicas, especialmente tuberías que van a ser sometidas a altas

presiones internas.


15

Este proceso es muy popular a nivel industrial debido a sus bajos costos de

operación y de producción, no se requiere de equipos especializados para este

proceso, se puede realizar en un torno convencional, adicionalmente con estos

bajos costos se pueden tener productos de muy buena calidad, de alta rigidez

con muy bajo peso, las propiedades de fatiga son mejores que algunos tipos de

metales, las fibras se pueden acomodar de tal forma que se les saque el mejor

provecho, los productos obtenidos son resistentes a la corrosión.

El proceso se basa en la utilización de fibras largas de refuerzo, que son

entregadas a un mandril que rota a una velocidad constante y sobre el cual se

lleva a cabo el proceso de bobinado, y conformación. La imagen mostrada a

continuación da una idea grosso modo del funcionamiento de la máquina de

bobinado de filamentos:

Figura 2. Esquema funcionamiento máquina de bobinado de filamentos.4

De acuerdo con el anterior esquema, se tiene el mandril que actúa como un

molde el cual esta rotando a una velocidad constante, es importante que se

obtenga un acabado superficial del mandril de muy buena calidad debido a que

de esto depende el acabado interno del producto terminado. El carro

transversal contiene un recipiente con un baño de resina en el cual se


��

��

16

sumergen las fibras para luego ser entregadas al mandril y generar el hilado

por bobinado, este carro se desplaza a una velocidad constante entre dos

puntos que se conocen como inicio y final de carrera, la relación de

velocidades entre el desplazamiento y rotación del mandril son las encargadas

para dar el ángulo de las fibras. Es importante que el tiempo de secado de la

resina se encuentre caracterizado a cabalidad para no encontrar

inconvenientes en los cuales la resina llegue a secarse dentro del recipiente,

impidiendo la correcta impregnación de las fibras.

Existen diferentes procesos de manufactura que no deben ser confundidos

con el bobinado de filamentos; estos se diferencian debido a la forma de

entregar la fibra al mandril y su interacción con la matriz durante el proceso de

manufactura. Procesos como Heated Chamber Filament Winding5, u On-Line

Impregnation6 son procesos que utilizan métodos en las cuales la

preimpregnación o la postimpregnación son la base de la interacción entre las

fibras de refuerzo y la matriz.

El proceso de manufactura de Bobinado de Filamentos, utiliza tres diferentes

métodos de entrega de fibras:

• Impregnación: este es el proceso más económico y común de todos

requiere una máquina sencilla, las fibras son pasadas por un recipiente

donde son humectadas por la resina y luego son entregadas para el

bobinado.

• Post-Impregnación: en este proceso se realiza el bobinado con las

fibras, totalmente secas y una vez conseguido el espesor deseado se le

aplica la resina como si se estuviera pintando con brocha o con aerosol,

5 SALA G., CUTOLO D., Heated Chamber Winding of Thermoplastic Powder-Impregnated Composites, Aerospace Engineering Department, Politecnico Di Milano, Milan, Italy, 1996. 6 HENNINGER F., FRIEDRICH K., Thermoplastic Filament Winding with Online Impregnation, Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Erwin-Schrödinger Strasse, Gebaude 58, D-67663 Kaiserslautern, Germany, 2002.

17

es un proceso lento y delicado para así asegurar un correcto

cubrimiento.

• Pre-Impregnación: en este proceso las fibras vienen previamente

impregnadas con la resina, luego se realiza el bobinado, en este proceso

se pueden usar máquinas con más grados de libertad, es un proceso

ágil pero el costo de las fibras y las máquinas es elevado.

El método más utilizado es el método de Impregnación, mediante la

repetición de pasadas de la fibra sobre el mandril se generan capas de fibra

impregnada con resina, posteriormente se da un tiempo para el proceso de

curado del compuesto y finalmente la obtención del producto terminado: un

material compuesto de matriz polimérica reforzada con fibras, en este caso

particular, fibras naturales.

1.1.1 Técnicas de hilado Las técnicas de hilado se clasifican según las variaciones de la forma de

entrega las fibras al mandril, se diferencian debido a un aumento o disminución

en la velocidad del carro transversal en relación con la de rotación del mandril.

1.1.1.1 Técnica polar Se recomienda para piezas de tamaño pequeño, con extremos cónicos,

debido a que este proceso avanza entre los extremos del mandril, este solo

queda recubierto en un circuito, para brindar un completo recubrimiento se

requiere mayor cantidad de pasadas, por lo tanto incrementa el costo en los

materiales, adicionalmente las máquinas trabajan con mas grados de libertad

por lo tanto son más costosas.

18

Figura 3. Esquema técnica de hilado polar.7

1.1.1.2 Técnica en anillos Este proceso es generalmente utilizado para recipientes que deben soportar

una alta presión. En este proceso se requiere un especial cuidado entre las

relaciones de velocidad ya que por cada vuelta que da el mandril el carro

transversal debe desplazarse una distancia igual al ancho de las fibras que

están siendo utilizadas. Se tiene entonces un proceso lento pero con muy

buenos resultados.

Figura 4. Esquema técnica de hilado en anillos.8

7 Imagen toma de: Materiales Compuestos . En: Enrollamiento filamentario. [ en línea], [consultado 25 de mayo de 2009]. Disponible en < http://books.google.com.co/books?id=cJvCLh9kOK0C&printsec=frontcover#PPA728,M1, página 728> 8 Imagen toma de: Alpha star corporation . En: filament winding. [ en línea], [consultado 25 de mayo de 2009]. Disponible en < http://www.alphastarcorp.com/genoa/factsheet/FactSheet_FW.pdf >

19

1.1.1.3 Técnica helicoidal La técnica helicoidal es la más utilizada debido a sus características; es un

proceso rápido, los productos obtenidos tienen excelentes propiedades

mecánicas. Aunque el proceso presenta impases debido a que el hilado se

lleva a cabo en ángulos entre 15° – 45°, es necesario utilizar altas velocidades

para lograr una consolidación del proceso en éste rango de ángulos,

habilitando la presencia de entrecruzamiento entre las fibras. Cerca a los 45°

se logra trabajar en velocidades optimas para las máquinas, logrando un mejor

cubrimiento, disminuyendo las irregularidades y optimizando la cantidad de

material requerido para obtener las propiedades deseadas.

Figura 5. Esquema técnica de hilado helicoidal. 9

9 Imagen toma de: Alpha star corporation . En: filament winding. En línea, disponible en <http://www.alphastarcorp.com/genoa/fact-sheet/FactSheet_FW.pdf>

20

1.1.2 Simulación Teórica del Proceso de Bobinado de Filamentos

Es posible simular los resultados del proceso de manufactura, de acuerdo

con variables que afectan lo directamente, para ello es necesario analizar algo

denominado sub-modelos, los cuales describen el comportamiento de dichas

variables de acuerdo a una teoría establecida para el proceso; a continuación

se explican dos sub-modelos de predicción teórica con enfoque mecánico:

Sub-Modelo Característica

Movimiento de Fibras Predice la ubicación de las fibras y la distribución de la resina

Esfuerzo–Deformación Predice el comportamiento de los esfuerzos y deformaciones, presentes tanto en el compuesto como en el mandril

Tabla 2. Características, Sub-Modelos Bobinado de Filamentos.10

Cada uno de estos sub-modelos, debe ser desglosada para dar una idea de

cómo funcionan las predicciones teóricas que éstos arrojan para lograr una

simulación a priori del resultado del proceso; el análisis que se mostrará será

para mostrar una idea general de la relación entre las variables los resultados

que se obtienen, una mayor profundización se encuentra en la referencia del

trabajo desarrollado por Gutowski.

10 GUTOWSKI, Timothy G. Advanced composites manufacturing. New York: Wiley, 1997. Pág.373 -392.

21

1.1.2.1 Sub-Modelo: Movimiento de Fibras

Figura 6. Esquema sub-modelo, movimiento de fibras.11

Este modelo pretende predecir y analizar la posición y distribución de las

fibras, así como de la resina sobre la superficie del mandril.

El análisis de los movimientos a que están expuestas las fibras durante el

proceso de bobinado, son la base para la simulación y predicción teórica de

éste sub-modelo, evaluando así los cambios tanto en tensión como en

ubicación de las fibras, mediante el planteamiento de ecuaciones de equilibrio

durante la capa final del proceso de bobinado. Es importante recalcar que

variables como la presión interna del cilindro, los esfuerzos internos del

11 GUTOWSKI, Timothy G. Advanced composites manufacturing. New York: Wiley, 1997. Pág.373 -392.

22

material, la tensión en las fibras, las expansiones y contracciones propias del

proceso de curado de la resina, deben ser tenidas en cuenta en todo momento.

�� (1)

�� (2)

La ecuación (1), muestra la relación la sección transversal, de modo que

� � � ��; donde es el ancho de la banda, � el espesor de la fibra y �� es la

fracción volumétrica de la misma. Por otro lado la ecuación (2) relaciona la

posición radial instantánea de la fibra ��, con el desplazamiento radial de la

fibra relativo a la resina �, adicionalmente tiene en cuenta el rol que juegan los

cambios de temperatura en el mandril y en el compuesto están dado por medio

de ��, finalmente el termino ��, denota la posición en función del tiempo de la

fibra.

��

(3)

�� (4)

��

��

��

(5)

En (3) se tiene � la cual representa la tensión instantánea de la fibra; en (4)

se tiene conjuntamente a (3) la componente circunferencial del esfuerzo,

finalmente en la ecuación (5) se modela el cambio de la presión respecto al

espesor del compuesto.

23

1.1.2.2 Sub-Modelo: Esfuerzo–Deformación

Este sub-modelo considera el compuesto como un material que consiste en

delgadas capas cilíndricas consecutivas; se simula entonces el compuesto

como una sucesión de tanques de pared delgada, correspondientes a cada

capa cilíndrica.

Los esfuerzos en el material están dados por la relación de los diferentes

fenómenos que tienen lugar durante el proceso, tales como: tensión inicial en la

fibra, cambios en tensión debido expansiones o contracciones de la fibra,

causadas por alteraciones térmicas de los alrededores del área de trabajo.

Cada uno de estos factores se encuentra en función del tiempo, por lo tanto el

análisis de toma en cuenta dichas variaciones, para finalmente generar

soluciones numéricas a cada fenómeno y/o factor, para alcanzar una solución

en general aplicable a todo el sub-modelo.

� ��! � "#�$$$%$$� � �&! (6)

� ''��!()� � ��!()� *+�� ,�

�-()� (7)

! � .� .�! (8)

De acuerdo con lo anterior entonces, las ecuaciones (6) y (7) relacionan el

esfuerzo en las fibras en las direcciones axial y radial; la ecuación (8) por su

lado indica el número de capas que contiene el compuesto.

En un tiempo t, el esfuerzo y la deformación, están dados por la tensión

inicial instantánea de las fibras donde:

24

/�01�2 � �&0 3 /4�015�676�� 46859) (9)

/:01�2 � :&0 3 /4:015�676�� 46859) (10)

Continuando con el análisis, en las ecuaciones (11) y (12), se relacionan los

cambios en el esfuerzo y la deformación causados por cambios en la

temperatura en conjunto con la reacción química de la resina.

/�012; � �&0 3 /4�015�676�� 46859) (11)

/:012; � :&0 3 /4:015�676�� 46859) (12)

Finalmente, la deformación y el esfuerzo total de las fibras en el material

compuesto, se modelan teóricamente mediante las ecuaciones (13) y (14), las

cuales se obtienen relacionando por método directo, las las ecuaciones (9),

(10), (11) y (12); en su estado más simplificado, se llega a la solución de esta

relación de la siguiente forma:

�6&6%< � �2; ��2$ (13)

:6&6%< � :2; :�2$ (14)

25

1.1.2 Ventajas y Desventajas del Proceso de Manufactura Durante el proceso de bobinado de filamentos aparecen una serie de

variables, las cuales pueden ser controladas antes de iniciar el proceso o

durante el mismo; por otro lado existen otras variables que resultan de la

interacción entre las variables controlables, las materias primas y el medio

donde se realiza el proceso de conformación del producto.

Las variables que se pueden controlar en el proceso de manufactura son las

siguientes:

• Velocidad de bobinado.

• Tensión inicial de las fibras.

• Temperatura del ambiente.

Posteriormente se deben establecer las siguientes variables del proceso, las

cuales se encuentran en función de la posición y el tiempo; y que se establecen

de acuerdo a las propiedades del compuesto que se dispone a desarrollar:

• Temperatura interna tanto del mandril y como del compuesto.

• Grado de curado de la resina (matriz del compuesto).

• Viscosidad de dentro del compuesto.

• Esfuerzo y deformación tanto del compuesto como del mandril.

• Posicionamiento de la fibra.

• Porosidad dentro del compuesto.

• Tiempo de bobinado y curado.

26

Figura 7: Esquema bobinado de filamentos.

1.1.3 Ventajas y Desventajas del Proceso de Manufactura

Ventajas Desventajas

Alta resistencia a la corrosión, logrando

mayor vida útil en aplicaciones de

transporte de fluidos.

Entrecruzamiento de fibras en el proceso

de conformación, que actúan como

concentradores de esfuerzos, reduciendo

la resistencia y afectando el acabado

superficial del producto.

Relaciones de esfuerzo/peso mayores a

materiales utilizados comúnmente en la

industria, tales como acero, madera, etc.

Limitación en la geometría de los

productos; obtención de formas

geométricas convexas exclusivamente,

debido a que el mandril debe ser de tal

forma que permita la extracción del

producto después del bobinado.

Control sobre la relación de las

cantidades de las materias primas

utilizadas en el proceso de conformación

de los tubos.

La resina para la matriz debe estar en

estado líquido o con una viscosidad baja

para lograr el proceso de conformación.

� ��

��

��

��

27

Estabilidad dimensional, el proceso

permite lograr tolerancias precisas entre

un producto y el siguiente.

La falla del material se da por falla

catastrófica, sin presencia de fluencia

debido a las características de los

materiales poliméricos, (matriz).

Tabla 3: Ventajas y Desventajas Bobinado de Filamentos.

1.2 Materias Primas

La utilización de fibras largas o continuas, y resinas en estado líquido o

viscoso con bajo índice de viscosidad son la base para el proceso de bobinado

de filamentos.

1.2.1 Fibras

Las fibras en un material compuesto tienen la labor de actuar como refuerzo

a la matriz del mismo. Actualmente, en la industria se utilizan tres tipos de

fibras: fibra de vidrio, fibra de carbono o aramidas (kevlar). Como se mencionó

anteriormente en el presente documento, para el desarrollo de este proyecto se

utilizará una fibra natural obtenida del bambú, con el fin de estudiar las

propiedades mecánicas que ésta puede ofrecer, y realizar un estudio

comparativo contra una de las fibras más utilizadas en la industria como lo son

las fibras de vidrio.

1.2.1.1 Fibra de Bambú

En cuanto a la fibra de bambú (Guadua Angustifolia), es de cuidado tener

presente el método de obtención de la misma, ya que con base a estudios

realizados en Colombia sobre éstas, se plantea que los métodos de extracción

28

manual utilizados en algunos países no son adecuados ya que se alcanzan a

atravesar las micro fibrillas de los haces de la fibra en el proceso de obtención,

adicionalmente al someterlas al proceso de secado correspondiente en la

extracción, se vuelven semirrígidas fracturándose fácilmente.

Conjuntamente se presenta otro inconveniente, el cual radica en el alto

contenido de lignina de la fibra debido a su origen natural, la cual impide la

correcta adherencia de la resina a la fibra12.

Figura 8: Fibra de bambú.13

Dicha incompatibilidad se explica debido a la alta afinidad de las fibras por el

agua, la pobre impregnación de las fibras se muestra más notoria con algunas

matrices termoplásticas hidrofóbicas, éste es el caso concreto de los materiales

que se trabajan en este proyecto, ya que por el origen de la fibra de bambú, su

alto contenido de lignocelulosa genera dicha incompatibilidad y baja

impregnación.

12 OKUBO K., FUJII T. & YAMAMOTO Y. (2004). Development of bamboo-based polymer composites and their mechanical properties. Wood science and thechnology. Vol. 35, pp 377 – 383. 13 http://www.bambrotex.com/second/showroom_yarn.htm

29

Por otra parte la lignocelulosa ocasiona inestabilidad térmica en las fibras;

para evitar la degradación de las fibras durante el procesamiento, las

temperaturas se limitan a máximo 200°C, con periodos cortos de

procesamiento.

Debido a esto, las fibras que se utilizaron para éste proyecto fueron

importadas desde China, donde utilizan un método de extracción llamado

explosión por vapor que aporta a la fibra las características apropiadas para su

uso en compuestos14. El proceso de explosión por vapor utiliza como materia

prima, la pulpa de los tallos del bambú, para refinarlos mediante un proceso de

hidrolisis-alquinizacion y una fase múltiple de blanqueado natural, una vez

terminado el proceso de refinamiento, la pulpa es introducida a una máquina de

explosión al vapor a un a presión especifica y una temperatura de

aproximadamente 180 a 210°C, en éste paso del proceso, se tiene la fibra en

un estado de aglomeración y con restos de lignina adherida, como se muestra

en la Figura 7.

Figura 9: Fibra de bambú no hilada, proceso explosión al vapor.

14 SHUNLIU S., GUIFENG W & ZHENFU J. (2008) Changes in chemical characteristics of bamboo (Phyllostachys pubescens) components during steam explosion. Wood Sci Technol 42:439–451.

30

Acto seguido, se somete a un proceso de centrifugado para separar la

lignina restante de la celulosa, por último la pulpa debe ser filtrada, secada,

hilada y empacada para su distribución15.

1.2.2 Resinas La resina en un material polimérico, que actúa como matriz para el

compuesto, proveyendo la fase continua del material, aglomerando así las

fibras de refuerzo y aislándolas de la afección del ambiente, adicionalmente

distribuye de manera homogénea los efectos de esfuerzos sobre las fibras.

1.2.2.1 Resinas Termoestables

Como una alternativa a la resina termoplástica se propuso, una resina

termoestable, la cual debido a su origen y sus propiedades ya viene en estado

líquido con una baja viscosidad.

Las resinas termoestables presentan un cambio químico conocido como

curado después del proceso de conformación, una vez tiene lugar este

proceso la resina suele tornarse rígida e insoluble, atribuyéndoles una alta

estabilidad térmica, resistencia a la fluencia, estabilidad dimensional, gran

resistencia mecánica y dureza.

Específicamente se seleccionó una resina epóxica, las cuales son polímeros

termoestable que reaccionan y se endurecen cuando son mezcladas con un

catalizador (MECK), que es un peróxido el cual endurece la resina. Su proceso

de curado se realiza a temperatura ambiente. Las resinas epóxicas tienen

diversas aplicaciones dependiendo de su peso molecular, las cuales varían

15 SHUNLIU S., GUIFENG W & ZHENFU J. (2008) Changes in chemical characteristics of bamboo (Phyllostachys pubescens) components during steam explosion. Wood Sci Technol 42:439–451.

31

desde adhesivos, recubrimientos, materiales compuestos, aplicaciones

náuticas, entre otras.

1.2.2.1.1 Resina Epóxica Cristalán 856®

La resina epóxica seleccionada para éste proyecto, se denomina Cristalán

856®, la cual es una resina para uso general, pre-acelerada. La cual tiene una

composición y preparación que sigue las siguientes cantidades, establecidas

por su productor.

Material Partes por peso

Cristalán 856 100

MEK-peróxido 1 – 2,5 (Según condiciones de temperatura y humedad)

Estireno < 30

Tabla 4: Composición Resina Cristalán 856®16.

Figura 10: Resina Epóxica Cristalán 856®.

16 Literatura técnica DISTRIERA LTDA. Cristalán 856

®.

32

Las propiedades más importantes de este material son:

Buen aislamiento eléctrico.

Buena resistencia mecánica.

Resistencia la humedad.

Resistencia al ataque de fluidos corrosivos.

Excelente resistencia química.

Bajo índice de contracción durante el proceso de curado.

Excelentes propiedades adhesivas.

Tabla 5: Propiedades Resina Cristalán 856®17.

Características Valor Método Andercol

Apariencia Rosada Transparente IT-1.01

Valor ácido 42 máximo IT-1.14

Viscosidad Brookfield

(cps), 25°C (Aguja 3, 10

r.p.m., 1 min.)

1500-2500 IT-1.06

% Sólidos 68-72 IT-1.11

Tiempo de gel (minutos),

25°C * 7-10 IT-3.04

Temperatura de

exotermia, °C 130-145 IT-3.04

Tiempo de exotermia

(minutos) 14-25 IT-3.04

Tabla 6: Especificaciones Técnicas Cistalán 856®18.

*Tiempo de gel: 100 gramos de CRISTALÁN 856, 1 ml de MEK-peróxido


®.


®.

33

2. PROCEDIMIENTO

El procedimiento que se siguió para alcanzar los objetivos propuestos en

este proyecto, provee un vistazo detallado de los procesos que tuvieron que ser

efectuados durante el desenvolvimiento del mismo para así lograr alcanzar

resultados concretos; la figura muestra los pasos que se ejecutaron con tal fin:

�Figura 11: Diagrama de actividades, procedimiento.

2.1 Selección y Caracterización del Material

El paso de selección y caracterización de los materiales a utilizar se llevó a

cabo durante la investigación literaria como ya fue demostrado en lo recorrido

del presente informe.

34

La experimentación y preparación de los materiales implicados en el proceso

de manufactura, se desarrollo como un proceso adicional para la

caracterización de los mismos.

2.1.1 Caracterización de la Fibra de Bambú

Se encontraron problemas durante el desarrollo del proyecto con la fibra de

bambú que se poseía para el proceso de manufactura; la fibra de bambú como

refuerzo debía ser sometida a una fuerza de tracción constante durante el

proceso por parte del mandril, adicionalmente un aumento en su peso le

generaba aún mayores fuerzas sobre el cabo sencillo que se tenía.

Se plantearon entonces soluciones a éste problema; debido a que los

inconvenientes que se tenían con la fibra de bambú, era su baja resistencia

debido al pequeño diámetro de la misma, se propusieron las siguientes

soluciones:

Soluciones Propuestas

• ‘Devanar’ la fibra para obtener un diámetro mayor y por

consiguiente una resistencia a la tracción mayor.

• Independizar los motores de la máquina de bobinado de

filamentos, generando menor tracción del mandril sobre la fibra.

El devanado es un proceso por el cual se obtiene un mayor número de

cabos por pasada de la fibra, así entonces en vez de tener un hilo

independiente por pasada, se logró obtener cuatro cabos paralelos, obteniendo

así una mayor resistencia en el hilo.

35

2.1.2 Caracterización de la Resina Epóxica Cristalán 856® Ésta resina como ya se explicó anteriormente viene naturalmente en estado

líquido y pre-acelerada, así que con la adición de pequeñas cantidades de

MEK-peróxido se logra manejar el tiempo para que tengan lugar los cambios de

estado de líquido a gel y para secado completo en la resina.

A pesar que ésta información había sido provista por las fichas técnicas de la

literatura entregada con el material por parte de Distriera LTDA, se decidió

llevar a cabo pruebas experimentales para comprobar la certeza de dichos

valores; en éste orden de ideas, se generaron probetas con la misma cantidad

de resina, a las cuales se les agregó diferentes cantidades de MEK-peróxido,

en variaciones de 0,5% cada una.

Las probetas fueron todas localizadas bajo las mismas condiciones de

entorno, humedad relativa, viento, temperatura y luz. Se tomaron los tiempos

que tardó cada una de las probetas para sus cambios de estado, hasta el punto

donde alcanzaran un secamiento completo. Los resultados se registraron en la

siguiente tabla:

Tiempo

Partes por peso

Catalizador (MECK) Líquido a Gel Endurecimiento completo

2,5 5 minutos 16 horas




Tabla 7: Pruebas Experimentales, Cambios de Estado Resina 856®.

Nota: Pruebas a presión atmosférica y temperatura ambiente de 25°C

36

Luego de llevar a cabo las pruebas mostradas, se llegó a la conclusión de

que la aplicación del catalizador debe ser la menor posible (1 parte por peso)

de, ya que el secado de la matriz es muy acelerado con niveles mayores.

Existen diferencias notables entre los valores establecidos en la ficha técnica

y los obtenidos experimentalmente, esto puede ser debido a diferencias entre

los entornos en los cuales se hayan llevado los experimentos.

2.2 Acondicionamiento de la Máquina para el Proceso

El siguiente paso en el desarrollo del proyecto fue lograr el correcto

funcionamiento de la máquina prototipo de bobinado de filamentos, la máquina

se encontró en mal estado, sin encender, el cableado estaba completamente

deteriorado y afectado por posibles cortos que posiblemente habían tenido

lugar durante, anteriores accionamientos de la máquina prototipo. Así pues

entonces el acondicionamiento de la máquina prototipo implicó sustitución de

elementos deteriorados como cables eléctricos, elementos de ajuste mecánico,

así como el sistema de remoción del exceso de resina en la fibra, el cual

afectaba la integridad de la fibra.

Figura 12: Antiguo sistema de remoción de exceso de resina

37

Figura 13: Nuevo sistema de remoción de exceso de resina

2.3 Automatización

La automatización de la máquina de bobinado de filamentos, se desarrolló

mediante el uso de sensores de señal y contactores que invierten la polaridad

de uno de los motores.

Figura 14: Sensores de señal (finales de carrera).

38

Figura 15: Contactores de bobina 110V.

El funcionamiento de éste montaje se rige mediante el siguiente plano

eléctrico:

Figura 16: Plano montaje eléctrico automatización.

39

Acorde con el anterior plano entonces, se tiene un par de pulsadores,

de encendido y apagado, los cuales se encuentran normalmente abierto y

normalmente cerrado respectivamente; al pulsar el verde, se permite el paso de

la corriente, la cual debe pasar por los sensores o finales de carrera instalados

en el circuito , dichos sensores envían una señal a cada uno de los

contactores (K1 y K2), mostrados en ; por medio de un enclavamiento

mecánico entre sus líneas de salida, esto asegura que cuando una se abre la

otra se cierra instantáneamente, alternando el contactor que entrará en

funcionamiento. Éstos últimos, lleva a cabo la función de invertir la polaridad

del motor que promueve el movimiento del tornillo sinfín, el cual mueve el carro

portador de la resina.

2.4 Motores

Para lograr una caracterización acertada del funcionamiento de los motores

y establecer cuales son los efectos dinámicos sobre el proceso, es necesario

establecer modelos cinemáticos que predigan el comportamiento detallado de

las variables que entran a hacer parte de este estudio y posteriormente

desarrollar la caracterización experimental, para finalmente poseer información

tanto teórica como práctica comparable.

2.4.1 Modelo Cinemático de su Funcionamiento

A partir de una variable de control, se puede obtener una relación entre las

variables dinámicas que inciden en el proceso de manufactura, la finalidad de

40

este estudio cinemático del proceso es predecir los valores angulares de

entrega de la fibra sobre el mandril durante el proceso de bobinado.

A continuación se muestra el esquema vectorial de velocidades del proceso,

que tiene como resultante el vector de entrega de las fibras al mandril durante

el proceso de bobinado.

Figura 17: Esquema vectorial de velocidades.

Las velocidades de cada uno de las partes que juegan parte directa en el

proceso de manufactura se obtienen de la siguiente manera:

=6>%?@�A< � $B>%?@�A< � �>%?@�A< (15)

=<C%��& � $B;A?�D? � �;A?�D? (16)

41

La ecuación (15) muestra la forma de la velocidad tangencial del mandril, en

términos de la velocidad angular, según la dinámica de movimiento circular

clásico. En la ecuación (16) encontramos que la velocidad lineal del carro

transversal se traduce en el avance que se traduce al mismo con cada

revolución del tornillo sinfín, donde dicho avance se denota con la letra �,

referente al paso del mismo.

$Por medio de la aplicación de funciones trigonométricas, podemos despejar

el ángulo E, el cual nos provee el ángulo de hilado, que equivaldrá al angulo

correspondiente a � � F�G " E variable en la cual se centra el interés en ésta

parte del proyecto.

2%?$�E� � $ =H<I$$JA?H%<$C%��&$2�%?K�H�K%<=H<I$$2%?LH?�A%<$>%?@�A< (17)

2%?$�E� � $ B;A?�D?$�$�;A?�D?B>%?@�A<$�$�>%?@�A<

(18)

E �$2%?7) $M B;A?�D?$�$�;A?�D?B>%?@�A<$�$�>%?@�A<

N (18)

Tanto el radio del mandril como el paso del tornillo sinfín, son constantes

dimensionales de la máquina prototipo que no tendrán variaciones significativas

durante el proceso, así que dichos valores fueron medidos con elementos de

medición directa.

Dimensiones Constantes

Radio del Mandril 0,039 m

Paso Tornillo Sinfín 0,005 m

Tabla 8: Medidas Constantes Dimensionales Máquina Prototipo.

42

De ésta manera, se puede predecir entonces el ángulo con el cual serán

hiladas las fibras sobre el mandril durante el proceso de bobinado,

dependiendo directamente de la velocidad angular con al cual se trabajen los

motores independientemente; así se pueden obtener ángulos de hilado según

el requerimiento del proceso.

2.4.2 Independización de los Motores La Independización de los motores se llevó a cabo con dos propósitos

principales, debido a que se presentaron inconvenientes en el proceso que

afectaban de manera significativa el producto final.

Inicialmente la presencia de crossover o entrecruzamientos en las fibras que

ocasionaba un acabado superficial pobre, trajo a consideración la posibilidad

de independizar los motores; al llegar al paso de la caracterización de los

materiales, se llegó a otro inconveniente como ya se mencionó. La excesiva

fuerza de tracción sobre la fibra no permitía el desarrollo normal del proceso de

conformado, ya que la fibra presentaba ruptura con mucha facilidad. Éste

inconveniente promovió finalmente la decisión de independizar los motores del

mandril y del carro transversal, para poder así, regular las velocidades de

dichos motores independientemente.

Con un giro a menor velocidad del mandril y una entrega de fibras más

rápida, se reduciría tanto la fuerza de tracción sobre la fibra, así como el

entrecruzamiento de las fibras, para lograr un mejor acabado superficial de los

tubos.

La Independización se llevo a cabo mediante la sustitución de la tarjeta

reguladora con la cual contaba la máquina prototipo, ésta tarjeta tenía una

43

entrada de 24VAC y una salida regulada de 0 a 24VDC para los dos motores,

manejando 1,5A como tensión máxima.

Figura 18: Transformador y tarjeta regulada conjunta.

La sustitución se hizo, por dos tarjetas independientes, cada una de las

cuales manejan una entrada de 24VAC, una salida regulada independiente de

0 a 24VDC y 1,5A. Éstas tarjetas van acopladas a la salida del transformador.

El transformador convierte el voltaje de la fuente de 110VAC a 24VAC el cual

pasa por el puente rectificador que se conforma por los cuatro diodos y se

convierte a 24VDC el voltaje luego de pasar por los condensadores llega al

LM317, el cual actúa como un sensor, el comando de la regulación es emitido

por el potenciómetro en términos de corriente y el LM317 censa dicho comando

y lo convierte a términos de voltaje para dar la orden a los TIP que finalmente

son los que emiten un voltaje regulado entre 0 y 24VDC.

44

Figura 19: Tarjetas reguladas independientes.

Figura 20: Plano eléctrico tarjetas independientes.

45

Es preciso tener en cuenta que la independización de los motores, no afecta

su comportamiento, debido a que las tarjetas que se acoplaron cumplen

exactamente la misma función que cumplía la tarjeta original, con la diferencia

que las regulaciones de velocidad se vuelven independientes para cada motor.

Por ésta razón la caracterización de los motores se desarrolló de forma

independiente con la utilización de cada una de sus tarjetas ya acopladas; los

resultados obtenidos se muestran a continuación.

Tabla 9: Caracterización Motor Carro Transversal Tabla 10: Caracterización Motor Mandril

46

Los datos anteriores se graficaron para comprobar que el comportamiento

de los motores fuera acorde a lo que se esperaba, y así estar seguro que éstos

estuvieran en óptimas condiciones de funcionamiento. Se obtuvieron las

siguientes gráficas:

Figura 21: Gráfico de caracterización, motor carro transversal.

Figura 22: Gráfico de caracterización, motor mandril.

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47

3. METODOLOGÍA

La metodología desarrollada para la obtención del producto terminado y por

consiguiente su caracterización, se desenvolvió mediante una serie de pasos

técnicos en los cuales se buscó obtener muestras físicas, realizar pruebas

sobre las mismas y finalmente analizar los resultados obtenidos, como sigue:

Figura 23: Diagrama de actividades, metodología.

3.1 Obtención de Muestras

Una vez la máquina prototipo de bobinado de filamentos estuvo en estado

óptimo de funcionamiento, se procedió al desarrollo del proceso de

manufactura para obtener muestras físicas del producto terminado.

48

El proceso de manufactura se ejecutó bajo los parámetros, de preparación

de materiales, variación de velocidades y condiciones de entorno ya

establecidos en el presente documento.

De esta forma, el proceso requiere que las superficies en contacto con la

resina tengan una preparación previa, dicha preparación se lleva a cabo

mediante la aplicación de un agente desmoldante, con el fin de evitar la

adhesión del compuesto a la superficie del molde y facilitar la extracción del

producto terminado. Adicionalmente se facilita el mantenimiento post-

procesamiento de los elementos que tengan contacto con la resina.

Figura 24: Aplicación agente desmoldante.

49

Figura 25: Aplicación agente desmoldante.

Una vez el agente desmoldante se suministra, se espera a que ocurra un

secado correcto del mismo. Durante éste periodo de tiempo se debe realizar la

preparación de la resina y el acondicionamiento final de la máquina antes de su

encendido. La resina fue preparada con la menor cantidad de partes por peso

recomendado por la ficha técnica, se obtuvo una buena viscosidad de la

misma, así como una impregnación completa de la fibra como se esperaba. La

fibra por su lado resistió sin inconvenientes las fuerzas de tracción ejercidas por

el mandril, así como la fuerza adicional del peso de sí misma una vez había

pasado por el proceso de impregnación.

50

Figura 26: Preparación de la resina.

Figura 27: Preparación de la resina.

51

Finalmente se tiene todo para comenzar el proceso de hilado, cuyo

funcionamiento ya ha sido explicado anteriormente.

Figura 28: Máquina prototipo lista para proceso de conformación.

Figura 29: Proceso de conformación, impregnación de resina.

52

Figura 30: Proceso de conformación, hilado de fibras sobre mandril.

A continuación se muestra una imagen del primer tubo obtenido.

Figura 31: Proceso de conformación, primer tubo obtenido.

53

Dimensiones

Longitud 340 mm

Diámetro Interno 77 mm

Espesor 2-3 mm

Tabla 11: Dimensiones Producto Terminado.

Figura 32: Producto terminado.

54

Figura 33: Producto terminado.

Una factor que se tuvo fuertemente en cuenta, fueron las velocidades de

conformación, se decidió investigar en que afectaba directamente al producto

terminado la variación de las velocidades de un motor con respecto al otro

durante el proceso de conformación, es por esto que dejando el motor del carro

transversal a una velocidad constante de 150 RPM aproximadamente, se

procedió a variar las velocidades angulares del motor que rige el mandril, entre

las diferentes muestras obtenidas.

Las observaciones y resultados de éstas variaciones llevaron a resultados

interesantes; al variar la velocidad del mandril durante el proceso, se observó

que el espaciamiento entre las fibras variaba de manera significativa,

adicionalmente, el nivel de impregnación de las fibras era completamente

diferente y por último la distribución de la resina sobre el mandril variaba en su

comportamiento.

55

Se desarrollaron pruebas con tres velocidades diferentes del mandril; los

datos obtenidos se muestran a continuación.

Para todas las pruebas desarrolladas se manejó, una velocidad del carro

transversal, constante de 150 RPM, lo que equivale a ≈10VDC.

Lo primero que se comprobó fue si la predicción teórica del valor angular de

las fibras sobre el mandril se cumplía en el desarrollo práctico, para ello se

tomó el valor de 160 RPM aproximadamente, valor para el cual fue obtenida

muestra física y sobre dicha muestra se midió el valor angular de la fibra, para

ser comparado con la predicción teórica.

56

Los valores tomados se muestran a continuación:

Tabla 12: Valor Experimental RPM Carro. Tabla 13: Valor Experimental RPM Mandril.

Según la ecuación (18) el valor teórico de E � OP QRG, nos entrega un valor

de � � QSP )RG de ángulo de hilado, valor al cual la medición experimental debe

aproximarse. Éstos valores se obtienen de los siguientes datos.

K = Paso Sinfín/Radio Mandril = 0,13

α = TAN-1 [(Vcarro/Vmandril)*K]

α = α (rad) *180/π θ=90°-α

0,12 rad 6,85 ° 83,15° Tabla 14: Valor Teórico RPM Carro.

57

Al comparar contra el tubo obtenido a dichos valores, las mediciones

experimentales arrojaron un valor de E � TFP )RG, el tubo con el cual se alcanzó

el valor se muestra a continuación:

Figura 34: Medición experimental del ángulo de las fibras.

Con dichos valores entonces se tiene que � � 2%?7) MOPR�)P�RN � TFP )RG, de ahí

que el valor del error con el cual la máquina prototipo arrojó las muestras

físicas de los tubos es de: 4,8%.

A continuación se muestran los valores tabulados obtenidos de las diferentes

muestras, de acuerdo a variaciones de velocidades del mandril con una

velocidad del carro transversal constante como ya se estipuló.

58

Velocidad Mandril [RPM]

Voltaje [VDC]

Espaciamiento Entre Fibras

(mm)

Nivel de Impregnación

Distribución de Resina

Entrecruzamiento de Fibras

Acabado superficial

60 8 30 Alto

Exceso en los extremos del mandril, homogénea en la superficie

No presenta Liso

102 14 15 Medio

Exceso sobre superficie del mandril

Notable

Regular, por exceso de resina

160 20 5 Bajo

Pobre distribución, Exceso de fibra.

Alto Rugoso

Tabla 15: Observaciones Resultado de las Variaciones de Velocidades en el Mandril.

3.2 Obtención de Probetas

Al obtener estos resultados, se decidió analizar y comparar los casos

extremos. De esta forma se analizaría, la importancia y el efecto sobre las

propiedades, tanto del entrecruzamiento de las fibras como del acabado

superficial y de esta manera tomar una decisión de que factores influyen más

de manera positiva o negativa en el producto terminado

De ésta manera para la obtención de las probetas, se tomaron dos tubos,

uno de cada lote obtenido a alta y baja velocidad de rotación del mandril

respectivamente.

59

Se desarrollaron probetas para el desarrollo de pruebas de tensión

longitudinal y tensión transversal, estas probetas fueron formadas de acuerdo a

lo establecido en las normas de la ASTM, como sigue:

Las pruebas mecánicas en sentido longitudinal, se realizaron bajo la norma

ASTM D3039-819, la cual describe el método de prueba estándar para:

“Esfuerzos de Tensión para Materiales compuestos de matriz polimérica”

(Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials).

Dimensiones de las Probetas Tensión Longitudinal

Ancho 15mm

Largo 250mm

Espesor Varía según el obtenido en las probetas

Velocidad de prueba 2 mm/min Tabla 16: Dimensiones Probetas, Prueba Tensión Longitudinal.

Las pruebas mecánicas en sentido transversal, se realizaron bajo la norma

ASTM D2290-820, la cual describe el método de prueba estándar para:

“Esfuerzo de Tensión Aparente en Anillos de Plástico Reforzado por el Método

del Disco en Tanques Plásticos” (Apparent Hoop Tensile Strength of Plastic or

Reinforced, Plastic Pipe by Split Disk Method).

19 American Standard Test Method. Standard test method for : Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM international, October 2008. 13 p. (ASTM D3039-8). 20 American Standard Test Method. Standard test method for: Apparent Hoop Tensile Strength of Plastic or Reinforced, Plastic Pipe by Split Disk Method. ASTM International, November 2008. 6 p. (ASTM D2290-8).

60

Dimensiones de las Probetas Tensión Transversal

Ancho mínimo 23mm

Diámetro del concentrador 9.52 mm (3/8”)

Área mínima del concentrador 14mm

Espesor Varía según el obtenido en las probetas

Velocidad de prueba 2,54 mm/min

Tabla 17: Dimensiones Probetas, Prueba Tensión Transversal.

A continuación se muestra el registro fotográfico de la obtención de las

probetas para tanto las pruebas de tensión longitudinal como la de tensión

transversal, dichas probetas fueron obtenidas mediante cortes longitudinales y

transversales a los tubos desarrollados, de acuerdo a las normas ASTM

mencionadas; en la sierra de banda con la cual cuenta el taller de mecánica de

la universidad.

Figura 35: Corte tubos, para obtención de probetas.

61



62



63

Una vez se terminó el proceso mecánico de la obtención de muestras, el

producto terminado, tanto para las probetas de los tubos con acabado

superficial liso como rugoso, fue el siguiente:

Figura 40: Probetas, tensión longitudinal, para acabados superficiales lisos y rugosos.

Figura 41: Probetas, tensión transversal, para acabados superficiales lisos y rugosos.

64

3.3 Pruebas Mecánicas

Según lo estipulado en las normas, se desarrollaron las pruebas de tensión

longitudinal y tensión transversal.

• Para las pruebas de tensión longitudinal, se obtuvo seis (6)

probetas de cada acabado superficial, para un total de doce (12)

probetas.

• Para las pruebas de tensión transversal, se obtuvo tres (3)

probetas de cada acabado superficial, para un total de (6)

probetas.

Todas las probetas fueron probadas bajo las mismas condiciones.

Figura 42: Prueba tensión transversal.

65

Figura 43: Prueba tensión transversal.

Figura 44: Prueba tensión longitudinal.

66

3.4 Resultados

3.4.1 Tensión Transversal

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Figura 45: Curva esfuerzo deformación, tensión transversal.

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Donde las probetas, según su numeración, corresponden a:

• Probeta 1. Acabado Superficial Liso. Espesor 2,64 mm.



• Probeta 4. Acabado Superficial Rugoso. Espesor 2,00 mm.



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Tabla 18: Resultados Cuantitativos, Prueba Tensión Transversal.

�Tabla 19: Resultados Cuantitativos, Prueba Tensión Transversal.

68

3.4.2 Tensión Longitudinal

• Distancia entre mordazas: 138mm

• Espesor Promedio: 2,86mm

Figura 46: Curva esfuerzo deformación, tensión longitudinal.

Donde las probetas, según su numeración, corresponden a:

• Probeta 1. Acabado Superficial Rugoso.






• Probeta 7. Acabado Superficial Liso.

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69






Nota Importante: Fue necesario excluir del análisis de resultados la probeta

numero 12, debido a que ésta presentaba un grieta previa a la prueba de

tensión y sus resultados interferían con el estudio.

Tabla 20: Resultados Cuantitativos, Prueba Tensión Longitudinal.

70

Tabla 21: Resultados Cuantitativos, Prueba Tensión Longitudinal.

3.5 Análisis de Resultados

De acuerdo a los resultados obtenidos de las pruebas de tensión transversal

y tensión longitudinal, se observó lo siguiente:

• En ambos casos, las probetas con acabado superficial liso

alcanzaron un mayor esfuerzo a tracción antes de presentar falla.

71

• Las probetas con acabado superficial rugoso presentan una

resistencia a la tracción de casi la mitad en magnitud que las

probetas con acabado superficial liso, en las pruebas de tensión

transversal, en las pruebas de tensión longitudinal la diferencia

también es significativa.

• Las probetas con acabado superficial liso, presentan un mayor

porcentaje de deformación antes de la ruptura, tanto a tensión

longitudinal como transversal.

• Las probetas resisten mayores esfuerzos a tracción antes de la

ruptura, en las pruebas de tensión longitudinal que en tensión

transversal.

• La variabilidad de los datos es mayor en las pruebas de tensión

transversal que en las de tensión longitudinal.

3.6 Estudio Comparativo

Debido a que la intención del proyecto principalmente es evaluar la viabilidad

de la fibra de bambú, es necesario comparar los resultados obtenidos contra

resultados ya existentes de compuestos similares y así llegar a una conclusión

de la competitividad del bambú como refuerzo, con miras de reemplazo de

otros materiales.

Se decidió hacer la comparación contra la fibra de vidrio debido a dos

razones principales: en primera instancia, la fibra de vidrio es una de las fibras

de refuerzo más utilizada en la industria de los FRP; por otro lado, existen ya

estudios realizados con el proceso de manufactura de bobinado de filamentos,

resina Epóxica con las características lo suficientemente similares para no

72

afectar el estudio comparativo y refuerzos con fibras de vidrio Roving tipo E en

varios cabos, lo que es muy beneficioso para el estudio ya que cumple todas

las características de la fibra de bambú utilizada en éste proyecto. Los datos

recopilados del estudio desarrollado para fibra de vidrio, se muestran a

continuación:

Ensayo Esfuerzo [MPa] 1 527,40 2 518,20 3 486,90 4 478,00 5 464,10 6 461,00 7 439,50 8 417,80 9 405,20 10 344,70

Media [MPa] 454,28

Desviación [MPa] 54,94 Tabla 22: Resultados Estudio Fibra de Vidrio, Tensión Transversal.21

Ensayo Esfuerzo [MPa] 1 9,00 2 12,20 3 11,80 4 13,01 5 10,80 6 11,01 7 10,53 8 10,87

Media [MPa] 11,15 Desviación [MPa] 1,21

Tabla 23: Resultados Estudio Fibra de Vidrio, Tensión Longitudinal.22

21 SALGADO, Giovanni. Materiales compuestos: tubos en fibra de vidrio reforzados con resina poliéster.

Proyecto de grado, Universidad de los Andes.2009. 22 SALGADO, Giovanni. Materiales compuestos: tubos en fibra de vidrio reforzados con resina poliéster. Proyecto

de grado, Universidad de los Andes.2009.

73

Los resultados muestran dos aspectos que aunque contradictorios, bastante

interesantes:

• Los esfuerzos a tracción medidos en el sentido longitudinal,

obtenidos en las pruebas tanto de la fibra de bambú como la fibra

de vidrio son muy similares, presentan diferencias de

aproximadamente 1,5 MPa, magnitud que no es significativa en

gran medida.

• Por otro lado los esfuerzos a tracción medios en el sentido

transversal difieren de manera exorbitante, valores medios de

0,7MPa en la fibra de bambú, contra valores de 454MPa en fibra

de vidrio, muestran que la fibra de vidrio no es en ninguna manera

reemplazable con fibra de bambú.

74

4. CONCLUSIONES

• Tanto las pruebas de tensión longitudinal como las de tensión

transversal muestran que las muestras desarrolladas con un

acabado superficial liso, alcanzan mejor resultados.

• El acabado superficial liso implica una fase continua mucho más

consolidada, distribuyendo mejor las fuerzas sobre las fibras,

permitiendo como resultado una mayor resistencia.

• El acabado superficial fibroso se da a mayores velocidades del

mandril, haciendo que la resina no logre impregnar correctamente

la fibra por falta de tiempo se sumersión, ocasionando que la fase

continua no se homogenice ni consolide correctamente.

Adicionalmente a mayores velocidades se presentan crossovers

de las fibras que acorde con los resultados, se comportan como

concentradores de esfuerzos, promoviendo la falla de las piezas a

menor carga.

• La fibra de bambú como refuerzo en tubos FRP es viable en

aplicaciones con cargas axiales, no se recomiendan aplicaciones

con cargas radiales o transversales, como por ejemplo altas

presiones internas, debido a que la resistencia en el sentido

transversal, como mostraron los resultados de las pruebas es

bastante baja y se presenta falla bajo la acción de cargas

pequeñas.

75

�

• La fibra de bambú posee una resistencia mucho mayor a fuerzas

normales que a la acción de fuerzas axiales.

• Se podría pensar en la sustitución de la fibra de vidrio en tubos

para aplicaciones de cargas longitudinales o axiales, ya que los

resultados obtenidos por los dos refuerzos se asemejan bastante.

• Bajo ninguna circunstancia la fibra de bambú puede llegar a ser el

reemplazo de la fibra de vidrio en aplicaciones de cargas radiales

o transversales, debido a la gran diferencia en la resistencia a

tracción que ofrecen como refuerzos dentro de una matriz

polimérica.

76

5. REFERENCIAS

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