Desarrollo y Estudio de un Material Compuesto a Base de Fibras de Cabuya para el Guardafangos de una Bicicleta Gandhi Carvajal Email:
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Nelson Guayta
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Luis Marcillo
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Alejandro Lalvay
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Carina Vallejo
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Escuela Politécnica del Ejército, Carrera de Ingeniería Mecatrónica, Sangolquí, Sangolquí, Ecuador
RESUMEN – El presente documento abarca la manera en la que se desarrolló un nuevo material compuesto usando fibras de Cabuya y como aglutinante resina de polímero de poliéster. Teniendo en cuenta la aplicación para la cual va a ser destinado este nuevo material es necesario realizar pruebas de propiedades mecánicas para así determinar la idoneidad del mismo, cuyos resultados de dichas pruebas se presentan en el presente paper. Teniendo en cuenta las propiedades mecánicas que debería tener el guardafangos (ligero, resistente a impactos y abrasión, flexible, resistente a la corrosión y de larga vida útil) se determinará si es factible la construcción de esta pieza con el material desarrollado. PALABRAS CLAVE – Fibra de Cabuya, Polímero, Ensayo, Probeta, Material Compuesto. ABSTRACT - This document covers the way in which they developed a new composite material and using Cabuya fibers and as binder polyester polymer resin. Considering the application for which will be destined this new material is required for mechanical property testing to determine its suitability, the results of these tests are presented in this paper. Considering the mechanical properties should have the fender (light, abrasion and impact i mpact resistant, flexible, resistant to corrosion and long life) will determine whether whether it is feasible to build this piece with the material developed. KEYWORD – Cabuya Fiber, Polymer, Test, Test-Tube, Composite.
I.
L
INTRODUCCIÓN
os materiales compuestos son aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales. Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir el agente reforzante (FIBRA)
responsable de las propiedades mecánicas y Fase matriz (POLÍMEROS) responsable de las propiedades físicas y químicas. químicas. El agente reforzante que se estudiará en el paper es la cabuya para verificar las nuevas propiedades que se le otorgará a la resina.
FUNCIONALIDAD DE UN GUARDAFANGOS El objetivo principal del guardafangos es evitar que la aspersión de arena, lodo, rocas, de líquidos y de otros residuos, que el ciclista pueda encontrar en el camino, sean lanzados al aire por el rodamiento del neumático con las consiguientes consecuencias, como pueden ser ensuciar de barro la bicicleta y al propio ciclista, produciendo incomodidades y por tanto haciendo factibles posibles accidentes. El guardafangos son unas defensas típicamente rígidas y que pueden ser dañadas por el contacto con la superficie de la carretera; y que en ocasiones pueden complementarse con
faldones de materiales flexibles, yendo cerca de la tierra donde es más posible el contacto.
planta del agave se producen fibras aptas para fabricar textiles [2] .
Suponen un gran beneficio ya que los materiales pegajosos, como puede ser el lodo, pueden adherirse a los neumáticos, mientras que objetos pequeños como piedras se pueden introducir temporalmente en el dibujo de las mismas, mientras las ruedas giran. Estos materiales debido a la fuerza centrífuga pueden salir expulsados de la superficie de la misma rueda a gran velocidad. Si las bicicletas se mueven hacia adelante, la parte superior del neumático va a rotar hacia arriba y hacia delante, con lo cual, puede arrojar objetos al aire y también hacia otros vehículos o hacia los peatones incluso que se sitúen al frente del vehículo.
II.
DESARROLLO
Para obtener resultados confiables, se realizará la comparación entre 2 materiales (acero negro y material compuesto). Se realizaran simulaciones en el programa Solidworks para comprobar cual material resiste más cuando el guardafangos sea sometido a cargas, dichas cargas serán puntuales simulando el impacto de una piedra y cargas distribuidas simulando un choque.
Figura 1. Planta de Cabuya o Agave Americana
Tabla 1. Dimensiones de células individuales de las fibras de agave
SELECCIÓN DEL MATERIAL COMPUESTO 1) Material de refuerzo La Cabuya o Agave americana, es una planta resistente a terrenos áridos. Las hojas crecen desde el suelo, grandes, lanceoladas y carnosas de color blanco-azulado o blanco-grisáceo, saliendo todas desde el centro donde permanecen enrolladas a un tallo central donde se van formando hasta su separación, con espinas en su borde de casi 2 cm muy agudas y finas. Todas las hojas terminan en el ápice en una aguja fina de unos 5 cm de longitud y de hasta 1 cm de ancho en su parte menos extrema [1]. De las hojas de la
Tabla 2. Propiedades mecánicas de la Cabuya En la Figura 4 se muestra el tejido de cabuya utilizado para fabricar las probetas para realizar las pruebas pertinentes.
Figura 2. Tejido de cabuya.
PROCESO INDUSTRIAL DE LA OBTENCIÓN DE LA FIBRA DE CABUYA A. Época y corte Esta labor consiste en el desprendimiento periódico de un número de hojas con herramientas cortantes adecuadas, debe ser recto y cerca al tallo y las hojas cortadas se transportan al sitio para el desfibrado. Las hojas se cosechan maduras o se cosechan aquellas que han dejado de apuntar al cielo, dejándole a la mata mínimo 20 hojas. El corte se realiza dejando dos dedos de base de la hoja, teniendo en cuenta de no herir o lastimar las hojas que queden en pie, pues se puede afectar la sanidad de la planta. No se deben cosechar hojas gechas o sobremaduras, ni tiernas o biches, ya que en ambos casos se desmejora la calidad o tenacidad de la fibra, éstas se pueden aprovechar como mejoradoras de suelo. Desde la finca se debe ir seleccionando los grupos de hoja de acuerdo con la calidad, teniendo en cuenta: tamaño o longitud, sanidad, color. También es muy importante que se tenga en cuenta aspectos relacionadas con el acopio de las hojas cortadas, pues es adecuado que el equipo de desfibrado se ubique en un sitio equidistante del cultivo y tapar el apilamiento de hojas, pues el sol, al realizar un beneficio demorado, puede ocasionar daños al material a desfibrar. B. Destune (despinado) Se recomienda hacer el destune de las hojas, para facilitar el transporte hasta el sitio de desfibrado. C. Despalmado Es el corte que se hace en la base de la hoja, en un tramo de 10 - 15 centímetros, para disminuir las motas y enredos y facilitar el desfibrado. D. Desfibrado De las operaciones o labores del beneficio, es quizá la de mayor atención.
Consiste en separar la corteza de las hojas de las fibras de cabuya que están en su interior, por métodos manuales o con desfibradora portátil de motor a gasolina o diesel, resultando con diesel una labor más económica. En el desfibrado mecánico tradicional, es primordial garantizar la operabilidad y el funcionamiento tanto de ella como del motor, las piezas deben estar ajustadas, aceitadas y engrasadas, el pechero debe estar bien parejo y las cuchillas amoladas, es decir, con filo plano para no trozar las fibras. Luego de lo anterior, se calibra de acuerdo con los grupos de hoja a desfibrar y se desfibra de la siguiente manera: 1) Se introduce la hoja despalmada a la máquina, primero por la parte gruesa o asiento. Se realiza hasta una cuarta parte de la hoja. 2) Se invierte y se pasa hasta desfibrarla totalmente. No dejar ninguna parte sin desfibrar y tener cuidado de no dejar partículas de celulosa en la hoja. Algunos operarios por costumbre en el desfibrado, introducen la hoja por la base como es lo correcto, pero lo hacen hasta las tres cuartas partes de la hoja, ocasionando pérdidas mayores de fibra ya que al voltearla es mayor el desprendimiento de fibra o mota. No se debe dejar pasar más de 12 a 15 horas entre el corte y el desfibrado, pues cuando esto ocurre, las hojas presentan un daño fisiológico que se denomina Empalizada, es decir, se vinagra afectando la calidad de la fibra. Después de desfibrar, no olvidar hacer manojos de doce hojas en verde, de esta manera se facilita las operaciones de transporte, fermentado, sacudido y secado, ya que si se forman manojos más grandes se dificultan dichas labores por el volumen de fibra. En los métodos manuales, aún se realiza el rallado manual de la hoja de cabuya para fines artesanales, decorativos y utilitarios, con instrumentos como machete, tijeras especiales, palos, carrizo y cordel. Tiene como ventajas la obtención de fibra de mayor longitud, mejor calidad y suavidad, además de la disminución del impacto ambiental por jugos y bagazos, aunque también con desventajas como baja producción, "los que desfibran a mano la penca de cabuya pierden sus huellas
digitales" y pueden enfermedades de la piel.
ser
expuestos
a
E. Fermentado y lavado En el beneficio, la fermentación es básica para la obtención de fibra de mayor calidad, pues la acción de los microorganismos y levaduras aumenta la temperatura, descomponiendo orgánicamente la materia, es decir, soltando el ripio o chanda. Así mismo los compuestos químicos de la cabuya hacen que se desprendan los restos de celulosa dejados entre las fibras. Para la correcta fermentación de la cabuya, se procede de la siguiente manera: 1. Llenar el tanque en seco con cabuya verde, estirándola a lo largo y ancho del tanque. 2. Echar agua hasta que cubra el límite de la cabuya depositada, así se ahorra agua y el tanque se podrá llenar, pues de lo contrario, la cabuya se rebalsa y no permite depositar mayor cantidad de hoja desfibrada. 3. Pisotear, estrujar y/o macerar los manojos de cabuya depositados dentro del tanque con poca agua, esto contribuye a que se desprenda el ripio. Usar por lo menos dos veces el agua, está comprobado que las primeras aguas contienen mayor grado de fermentación, por esta razón el agua se recomienda reutilizarla. Es adecuado dejar en fermento la cantidad de hojas en verde desfibradas del día, de tal manera que al día siguiente se lave y sacuda; ya que el sereno contribuye a que la cabuya blanquee mejor y sea menos agresiva, o sea que pica menos. Sobre la construcción del tanque para el fermento, es bueno elegir un lugar que quede cerca de la desfibradora y/o secadero, donde se puede utilizar el producto del lavado como abono líquido, facilitándose la conducción por gravedad hacia los potreros, huerta casera y/o diferentes sembríos. Si estos residuos caen directamente a las fuentes de agua, destruyen y matan la ictiofauna existente, contaminando el agua para el consumo animal y humano.
F.
Secado y sacudido
Cuando el secado se hace en mangas o potreros se presentan una serie de inconvenientes que afectan la calidad de la fibra y contribuyen a su rechazo, por ejemplo, en épocas de invierno la cabuya tiende a negrearse o se mohosea, también se dificulta alcanzar el grado de humedad máximo requerido del 12% y por si fuera poco, ocasiona al operario daños o traumas en la espalda, por realizar movimiento inadecuados. En cambio los secaderos aéreos o en alambre no sólo contribuyen a que la cabuya se seque con mayor rapidez, obteniendo una fibra más limpia, libre de todo residuo orgánico y con el porcentaje de humedad requerido. Después de escurrida la cabuya, se termina de orear la fibra en los alambres, el operario debe soltar el nudo y abrir a lo largo del alambre el manojo. Para el sacudido se debe coger el punto preciso de humedad, ya que si la cabuya aún está un poco húmeda no permite sacudir el ripio, y si está demasiado seca ya es tarde y tampoco desprende, aquí la experiencia juega un punto determinante. 2) Selección de la resina
Resina de Poliéster.La resina de poliéster es la de uso común, la resina viniléster fue desarrollada específicamente para la fabricación de componentes plásticos reforzados resistentes a productos químicos, posee una elevada resistencia química y propiedades físicas superiores a las de poliéster. La resina epoxi posee las mejores propiedades, con una elevada resistencia mecánica y elasticidad, utilizándose principalmente para prototipos por lo que su costo es elevado. Por lo que para la elaboración de las probetas se escogerá la resina poliéster ya que cumple con las necesidades de este proyecto. La resina poliéster requiere para fraguar del agregado de un acelerador (cobalto) y de un catalizador (MECK). El acelerador es el componente que regula los tiempos de la reacción de fraguado mientras que el catalizador es el que inicia la reacción.
El inconveniente de utilizar resina es que tienden a contraerse durante el endurecimiento hasta un 7% de su volumen.
Figura 3. Pieza fabricada de resina poliéster Material Cantidad Resina 500 gr Estireno 250 gr Cobalto 1 ml Mek 10 ml Tabla 3. Porcentajes de químicos a adicionar para elaborar la resina poliéster.
El ácido láctico es utilizado ampliamente en la industria alimenticia, química, farmacéutica, del plástico, textil, agrícola, industria de alimentación animal, entre otras. Sin embargo, la aplicación más interesante del ácido láctico radica en la posibilidad que ofrece de producir ácido poliláctico (PLA). Se obtiene mediante polimerización por apertura de anillo del dímero cíclico del pacido láctico. El monómero tiene un carbono asimétrico por lo que es factible preparar polímeros con diferentes tacticidades. El homopolímero derivado del monómero natural, L´láctico (L-PLA), presenta un elevado grado de cristalinidad (37%) debido a su eséreoregularidad. EL material tiene alta resistencia a la tracción y baja elongación, por lo que consecuentemente tiene un módulo de Young elevado. Este polímero es muy adecuado para aplicaciones que tienen que soportar una carga como son las alturas y fijaciones ortopédicas. Sus características térmicas están definidas por un elevado ponto de fusión (175 – 178°C) y una temperatura de transición vítrea de 60 a 65 °C.[11]
Tabla 5. Propiedades físicas del PLA [11]
Tabla 4. Propiedades físicas y mecánicas de la resina poliéster [8]. Ácido Poliláctico (PLA).Es un biopolímero termoplástico cuya molécula precursora es el ácido láctico. Debido a su biodegradabilidad, propiedades de barrera y biocompatibilidad, este biopolímero ha encontrado numerosas aplicaciones ya que presenta un amplio rango inusual de propiedades desde el estado amorfo hasta el estado cristalino.
Tabla 6. Propiedades mecánicas del PLA según su peso molecular [11] MÉTODOS DE PROCESAMIENTO DE RESINAS En esta sección se presentan los procesos de fabricación más utilizados para obtener productos de resinas poliméricas.
Moldeo por inyección. Moldeo por soplado y estiramiento. Moldeo por película y laminado. Soplado de película. Termo formado [11]
ABSORCIÓN DE AGUA DE MATERIALES COMPUESTOS CON BASE DE RESINA POLIESTER Existen diferentes clases de resinas, entre las que se encuentran las llamadas poliéster, vinylister y epoxi. Éstas últimas presentan mejores características de adhesión y resistencia al agua, aunque tienen un elevado precio. De todas formas, en las construcciones de los barcos son utilizadas las de poliéster, que a su vez se puede hablar de dos tipos [12]:
Resinas isoftálicas.- Que tienen mejores propiedades que las ortoftálicas, sobre todo porque son más resistentes al agua, ya que tiene una absorción de humedad casi nula [12]. Resinas ortoftálicas.- Son utilizadas comúnmente en embarcaciones siempre y cuando se utilice en las capas exteriores de la embarcación (sobre todo en la zona del casco, las resinas de tipo isoftálicas). El motivo de utilizar éstas se debe a su precio más bajo [12].
3) Probetas El diseño y análisis de estructuras en materiales compuestos requiere de datos experimentales. El material propuesto será evaluado por medio de los estándares ASTM(American Society for Testing and Materials) para pruebas en materiales compuestos estas pruebas tienen como objetivo determinar las propiedades mecánicas del nuevo material compuesto para posteriormente concluir si la elección de dicho material es el más optimo para la fabricación del guardafangos . En las probetas se realizaron pruebas de tensión las cuales están descritas en la norma ASTM D3039-M08 (Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials )[11] ,este método de ensayo determina las propiedades de tensión de un material compuesto de matriz polimétrica con refuerzo en fibras continuas o discontinuas en láminas balanceadas simétricamente[9]
La resina poliéster es usada para ambientes altamente agresivos: particularmente ácidos fuertes, soluciones básicas débiles y algunos solventes [13]. Por las características presentadas por la resina poliéster no es necesario realizar ensayos de absorción de humedad, ya que este tipo de resina es impermeable ante varios líquidos y para la aplicación del guardafangos únicamente es necesario que sea resistente al agua y al ambiente corrosivo del ambiente, para lo cual responde de una manera excelente.
Figura 4. Dimensiones de la probeta para el ensayo de tracción, según norma ASTM D303908
ELECCIÓN FINAL DE LA RESINA Después de analizar los dos polímeros se decidió utilizar la resina de poliéster, debido a la factibilidad de su uso, en contraste con la dificultad para conseguir PLA, este compuesto se debe importar pues no es de uso común en el país.
Figura 5. Dimensiones de la probeta para ensayo de flexión, según la norma ASTM D 7264/-07
Figura 6. Dimensiones de la probeta para determinar la resistencia al impacto según la norma ASTM D256-10 ENSAYO
LARGO (mm)
ANCHO (mm)
ESPESOR (mm)
TRACCIÓN 250 25 2.5 FLEXIÓN 160 13 4 IMPACTO 127 12.7 12.7 Tabla 7. Dimensiones de las probetas para ensayos de tracción flexión e impacto 4) Proceso de producción de las probetas Para el proceso de fabricación de las probetas hay que medir la fibra y cortarla a la medida de la probeta que se necesita, según se analizó en el punto anterior. Para este caso se han tomado medidas mayores para sacar varias probetas de una misma malla de tejido. Luego se la coloca sobre una superficie lisa cubierta por papel celofán el cual ayudará a que en la fase de desmolde la resina no quede pegada sobre la superficie. El papel celofán cumple la misma función de la cera desmoldante.
Figura 8. Impregnación de la resina sobre la malla de cabuya Posteriormente se debe colocar sobre la malla de cabuya impregnada papel celofán y una superficie uniforme con algún tipo de peso para que pueda presionar la malla y así evitar que se formen pliegues durante el proceso de curado.
Figura 9. Malla en el proceso de curado a temperatura ambiente. Finalizado el proceso de curado se deben cortar las probetas a la medida de la norma específica para cada ensayo, obteniendo como resultado lo que se aprecia en la Figura 14.
Figura 7. Malla de cabuya cortada y colocada sobre papel celofán. Luego con la resina poliéster preparada en las proporciones antes revisadas le cubre las fibras de cabuya teniendo precaución que todas las fibras queden impregnadas de la resina y dependiendo del espesor que se le quiere dar se siguen aumentando capas de resina sobre el tejido de cabuya.
Figura 10. Probetas III.
RESULTADOS
A. Ensayo de Tracción Para realizar este ensayo se usaron dos probetas, una con las fibras de cabuya en sentido longitudinal y otra con la fibra en forma de malla, para con esto determinar si la orientación de las fibras contribuye o no a
mejorar las propiedades mecánicas del material compuesto.
Figura 11. Probetas longitudinal y de malla.
Figura 14. Fuerza vs. Deformación (probeta fibras en forma de malla, resultado de laboratorio). Figura 12. Ensayo de tensión. Los resultados obtenidos del ensayo para ambas probetas fueron los siguientes:
Ahora como se conoce el área transversal de la probeta de ensayo podemos realizar la gráfica Esfuerzo vs. Deformación y así determinar el esfuerzo máximo que ambas probetas pueden soportar. Por lo tanto como se puede observar en las gráficas las probetas que tiene el esfuerzo máximo antes de llegar a la ruptura es la que posee las fibras en sentido longitudinal como se muestra en la siguiente tabla de resultados:
Distribución de Fibras Longitudinal Malla
σnorm
max
E kpsi (MPa)
%elongacion
kpsi (MPa) 2.115 13.22 1.41 (14.58) (91.13) 1.320 8.25 1.36 (9.106) (56.91) Tabla 8. Resultados ensayo de tracción. Figura 13. Fuerza vs. Deformación (probeta fibras en sentido longitudinal, resultado le laboratorio).
B. Coeficiente de poisson El coeficiente de poisson no se lo puede obtener debido a que esta es una característica de materiales elástico lineal e isótropo ye en este caso estamos tratando con un material anisotrópico. C. Ensayo de Flexión Para el análisis de este ensayo se tomará idealmente la probeta en comparación con una viga apoyada en sus dos extremos, con los cual determinaremos el desplazamiento
máximo (Δmax)
y la fuerza máxima que lo
produce (Fmax).
Fuerza [N] Desplazamiento [mm]
Figura 15. Ensayo de flexión (probeta fibras en forma de malla, resultado de laboratorio).
6
1
10
2
15
3
21
4
26
5
31
6
36
7
40
8
45
9
49
10
52
11
55
12
58
13
60
14
60
15
61
16
62
17
63
18
64
19
64
20
61
21
62
22
62
23
62
24
60
25
60
26
60
27
59
28
58
29
58
30
Tabla 9. Resultados ensayo de flexión. (probeta fibras en forma de malla, resultado de laboratorio).
Fuerza vs. Desplazamiento 80
] 60 N [ a z r 40 e u F20 0 0
20
Desplazamiento [mm]
Figura 14. Gráfica de resultados Fuerza vs. Desplazamiento .Ensayo de flexión (probeta fibras en forma de malla).
40
Tabla 10. Resultados ensayo de flexión. (Probeta fibras longitudinal, resultado de laboratorio).
Esfuerzo vs. Desplazamiento 30
] 25 a P M20 [ o 15 z r e 10 u f s E 5
Fuerza vs. Desplazamiento
0 0
20
40
Desplazamiento [mm]
Figura 15. Gráfica de resultados Esfuerzo vs. Desplazamiento. .Ensayo de flexión (probeta fibras en forma de malla). Los resultados obtenidos con la probeta de la fibra en forma de malla muestran que el esfuerzo flexionante máximo permisible antes que se produzca la falla es: σflex max= (25,41 [MPa])
Con respecto al ensayo de la probeta con las fibras longitudinales se obtuvo los siguientes resultados: Fuerza [N]
Desplazamiento [mm]
4
1
8
2
12
3
17
4
20
5
24
6
25
7
26
8
27
9
27
10
30
11
31
12
32
13
33
14
34
15
33
16
32
17
33
18
34
19
34
20
34
21
33
22
30
23
29
24
28
25
27
26
25
27
25
28
24
29
] N [ a z r e u F
40 20 0 0
10
20
30
40
Desplazamiento [mm]
Figura 15. Gráfica de resultados Fuerza vs. Desplazamiento .Ensayo de flexión (probeta fibras longitudinales). Los resultados obtenidos con la probeta de la fibra longitudinal muestran que el esfuerzo flexionante máximo permisible antes que se produzca la falla es: σflex max= (34.86 [MPa])
Distribución de σflex max Fibras [MPa] Longitudinal 34.86 Malla 25.41 Tabla 11. Resultados de esfuerzos a flexión máximos D. Ensayo de Impacto Con este ensayo se determina si el material compuesto tiene o no la propiedad de absorber la energía de los impactos que pueda sufrir. Además analizando visualmente la probeta luego del ensayo se puede determinar si el material es frágil o dúctil.
Figura 16. Desarrollo de ensayo de impacto.
De los resultados obtenidos del ensayo se puede determinó que el material compuesto tiene la capacidad de absorber una cantidad de energía de: Energía=2,94 [Joule] Y del análisis de la probeta después del ensayo se puede llegar a la conclusión de que es un material frágil ya que la zona de falla presenta una ruptura súbita sin ningún tipo de deformación.
Con respecto a los ensayos de fatiga, torsión, compresión y fluencia no se los realizo ya que el guardafangos no esta sometido a cargas cíclicas que puedan afectar su resistencia, ni cargas en sentido perpendicular a la dirección longitudinal del guardafangos ni a cargas de compresión, y como se ha comprobado mediante ensayos, el material es frágil y no pasa por un punto de fluencia por lo que estos ensayos son descartados. G. Aplicación en el guardafangos Los guardafangos de las bicicletas generalmente están fabricados de materiales metálicos o de algún tipo de polímero resistente sin fibra de refuerzo. Para comprobar si el nuevo material compuesto se puede aplicar en este elemento de la bicicleta se hará la comparación con el material más común del que se fabrican los guardafangos que es el Acero Negro.
Figura 17. Probeta después del ensayo. E. Ensayo de Dureza Con este ensayo se determina la resistencia de un material compuesto a ser penetrado o dureza. Los ensayos superficiales fueron realizados con una precarga de 3kg en la escala en Rockwell 15T y con una carga de 15kg (15HR15T) Obteniendo una dureza de : Dureza= 71 15HR15T o 241HB 32 HRB en 100 Kg. F. Otros ensayos químicos y mecánicos Debido a la aplicación que se le dará al nuevo material la cual será de guardafangos no se ve la necesidad de realizar ensayos químicos como el de Contenido de humedad ya que solo se lo realiza a suelos para obtener la cantidad de agua que se encuentra en el mismo. Adicionalmente debido a que el nuevo material esta compuesto de resina y cabuya el ensayo de la llama estaría de sobra ya que dicho ensayo ayuda a reconocer si el material contiene iones metálicos y reconocerlos. Aun cuando el material este expuesto al medio ambiente y a la corrosión se trata de un material que esta compuesto de resina y cabuya, el ensayo a la corrosión no se lo realizaría ya que este se lo hace a metales.
Figura 18. Guardafangos fabricados de Acero Negro. Usando métodos de elementos finitos a un modelo de guardafangos se le aplicaron fuerzas puntuales para determinar los esfuerzos máximos permisibles así como los desplazamientos provocados por dichas fuerzas, de donde se obtuvieron los resultados mostrados en la Tabla 12.
Acero Negro Tensión 7,51e+08 max. 2 [N/m ] Tensión 416688 min. 2 [N/m ] Desplaz 8,79 max. [mm] Desplaz 0 min. [mm] Deform. 1.36e-06 Unitaria
Material Compuesto Fibra Fibra Longitudinal Mallada 6,97e+08
6,97e+08
469978
469005
19718.7
31575,5
0
0
0.0033072
0,00529341
min. Deform. Unitaria 0.001513 max.
3.59964
5,76394
Tabla 12. Resultados cálculos de elementos finitos. Teniendo en cuenta los resultados anteriormente mostrados se observa que el material compuesto no tiene tan buena resistencia a como el acero y que para este caso en especial de estudio, el guardafangos necesita una buena resistencia debido a que se encuentra expuesto siempre a impactos.
IV.
CONCLUSIONES
Las probetas con fibras presentan mejores prestaciones mecánicas cuando el espesor de las mismas es pequeño porque la probabilidad de encontrar defectos disminuye .Por esto, desde el punto de vista de las propiedades mecánicas son aconsejables las fibras de diámetro lo menor posible. Experimentalmente se comprobó que existe una mayor deformación para una probeta con fibras distribuidas longitudinalmente, esto se debe a que cuando se aplica la fuerza en dirección de las mismas las fibras y la fuerza se encuentran en la misma dirección mientras que con la probeta con fibra de malla la fuerza con respecto a las fibras, se encuentra a 30 grados, por lo que la fuerza que deben aguantar las fibras se redistribuye haciendo que esta probeta tenga menos resistencia. El Módulo de elasticidad (E) es constante para los materiales, sin embargo por la distribución y la cantidad de la fibra que es variante, se obtuvo un resultado distinto en las probetas con fibras de sentido longitudinal y en malla, por consecuencia el porcentaje de elongación también varía teniendo mejores propiedades la probeta con fibras en sentido longitudinal. Realizando una comparación entre en material compuesto y la resina, el módulo elasticidad aumenta por lo que al proporcionar la fibra de cabuya en sentido longitudinal mejora esta propiedad mecánica.
De acuerdo con la gráfica de esfuerzo vs deformación se puede concluir que el material estudiado es un material frágil, ya que pasa de la zona elástica a la zona plástica provocándose una ruptura sin apreciar la zona de fluencia del material. Con el ensayo de flexión se observa que las fibras del material compuesto trabajan a tracción y compresión, la probeta de distribución longitudinal tiene mejores resultados ya que la fuerza que se aplica afecta mayormente a las fibras que se encuentran a tracción mientras que con la probeta de fibras de malla……….. , por lo que para el guardafangos se confirma que la distribución de las fibras longitudinales aportaría a la buena elección del material ya que si existe el impacto de algún objeto el material tenderá a flejar sin romperse ya que su esfuerzo flector máximo es muy alto (25-34 Mpa). Mediante el ensayo de impacto se puede nuevamente afirmar de que el material estudiado es un material frágil ya que con el Ensayo charpy presenta una ruptura súbita sin ningún tipo de deformación, por lo que con esta característica no aporta positivamente para la elección este material para el guardafangos ya podría trisarse o fracturarse el material con el impacto de algún elemento. Realizando el ensayo de dureza se concluye que el material compuesto no varía considerablemente con la resina ya que la prueba de impacto se realiza a la resina mas no se tiene contacto con la fibra Las propiedades mecánicas del material compuesto no son lo suficientemente buenas para poder aplicarla en la construcción del guardafangos, con los resultados obtenidos se demuestra que es mucho menos resistente que los materiales que en la actualidad se usan (acero negro) para fabricar este tipo de partes.
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[6]
matriz
[13]
Anthony
encyclopedia
de
de
[2]
Robert R. Franck. Bast and other
compuestos
Obtención
of
jute/epoxy
http://procesosiii.blogcindario.com/2009/0 5/00010-fibras.html
ANEXOS
MATERIAL COMPUESTO (Agave americana- poliéster) DETALLE DE LA COMPOSICION DE LAS PROBETAS PROBETA TIPO MALLA
POLI STERCABUYA
RESINA DE POLIESTER 500 gr.
OCTOATO DE COBALTO 1 ml.
MECK PEROXIDO 10 ml.
MONOMERO DE ESTIRENO 250 gr.
FIBRA DE CABUYA 250X 25 mm 2
PROBETA TIPO LONGITUDINALES
POLI STER -CABUYA
RESINA DE POLIESTER
OCTOATO DE COBALTO
500 gr.
1 ml.
MECK PEROXID O 10 ml.
MONOMERO DE ESTIRENO
FIBRA DE CABUYA
250 gr.
250X 25 mm2
DETALLE DE LACOMPOSICION DE LA RESINA DE POLIESTER MONOMERO DE ESTIRENO
Es un líquido transparente, de incoloro y amarillo, se utiliza en aplicaciones relacionadas con la elaboración de plásticos, revestimientos protectores y resinas
http://nj.gov/health/eoh/rtkweb/documents/fs/1748sp.pdf
RESINA DE POLIESTER Es un líquido transparente, de incoloro y amarillo, este material está recomendado para la producción de todo tipo de productos reforzados con fibras y especialmente para laminados de espesores menores de 5mm
http://www.gmp.com.co/resina_poliester.html#copao
MECK PEROXIDO Líquido semi viscoso, incoloro, transparente, insoluble en agua, compatible con resina poliéster, su aplicación principal es como catalizador
http://www.gmp.com.co/meck.html
OCTOATO DE COBALTO El octoato de cobalto es una sal órgano-metálica de color violeta que se obtiene de la reacción del cobalto con un ácido, es inflamable, además se recomienda manipular usando guantes de caucho, botas de seguridad y respirador, su aplicación es acelerante de cobalto en masillas. Se emplea como acelerador en la reacción de reticulación (reacción química que se presenta en los polímeros) de los poliésteres http://www.gmp.com.co/octoato.html AGAVE AMERICANA Es una planta de típica de zonas tropicales y subtropicales que están presentes en Centro y Sudamérica La cabuya es una planta
típica de las yungas y vertientes occidentales andinas. Es una herbácea de hojas verdes largas y delgadas provistas de espinas en sus bordes. Sus hojas son carnosas, grandes y muy fibrosas. y se reproduce por renuevos que brotan del contorno de sus raíces. De las fibras de cabuya se elaboran hilos, de sus hojas papel, de sus espinas agujas y el extracto jabonoso de sus hojas se utiliza como detergente. En las sociedades prehispánicas fue utilizada para la manufactura de tejidos como redes, hondas y otros textiles
COSTOS DE MATERIALES MATERIALES
DESCRIPCIO N
Resina WWAS
710 g
Endurecedor WWB4
290 g
Resina de poliéster meck peróxido octoato de cobalto monómero de estireno
1000 g 100 ml 100 ml 500 g
Estireno Monómero Cloruro de tetrametilamonio Tolueno
1000 g 100 ml
PRECIO
FUENTE
52,91
http://www.pintulac.com .ec/producto_grupo_deta lle.php?codigo=13325
10,55
Del proveedor
25,2
https://www.composites shop.com/art.php
500 g
LAS RESINAS EPOXI Tienen un color ambar y tienen una viscosidad baja. Son muy adecuadas para las aplicaciones en la realización de estructuras y alcanza su máximo rendimiento y propiedades en unión con la fibra de carbono. Son también excelentes como material adhesivo en ciertas aplicaciones por su elevada adherencia. Otorgan a las piezas fabricadas en este material gran resistencia con muy poco peso y no contraen en absoluto durante el proceso de curado. Resisten la degradación y la absorción de agua. LAS RESINAS DE POLIÉSTER Son las más utilizadas como material de refuerzo con la fibra, son baratas y fáciles de utilizar, secan rápido y toleran más fácilmente excesos en las condiciones de trabajo, recomendándose las resinas isoftálicas en el caso de que estén destinadas a resistir agentes químicos o corrosión, como es el caso de refuerzo de depósitos destinados a contener materiales corrosivos. LAS RESINAS VINILESTER Viene a ser el término medio entre las propiedades y precio de las resinas Epoxy y de poliéster, e incluso las mejora a ambas en cuanto a resistencia a la corrosión y a las temperaturas. Tiene una excelente estabilidad y resistencia química, lo que ha provocado su utilización en campos
en los que se requieren las máximas propiedades y resistencia, como los cascos de las embarcaciones por su extraordinaria resistencia a la osmosis y en la industria aeroespacial. Su desventaja es su limitada vida de almacenaje, recomendándose su utilización antes de dos meses como máximo. POSIBLES APLICACIONES El material compuesto, está conformado por resina de poliéster y fibras de agave americana o cabuya, apto para diversas aplicaciones como náutica, auto partes, tanques y tuberías, construcción, electricidad, moldes, fabricación de componentes para lancha, estructuras y artefactos decorativos. En la siguiente tabla se muestra como en la industria automotriz se usan los materiales compuestos en sus procesos de fabricación.
REFERENCIAS DE ANEXOS
http://www.pintulac.com.ec/producto_grupo_detalle.php?codigo=13325
https://www.compositesshop.com/solproblemas.php?cod_cat=000047&nivel=02&user_ id=ec9b22884441e6c8b18f5008d66ec20a&idio=ESP&func=list
http://www.pintulac.com.ec/producto_grupo_detalle.php?codigo=13325
https://www.compositesshop.com/art.php