CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 1 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D UNIVERSIDAD INTERNACIONAL SEK Facultad de Arquitectura e Ingeniería Maestría en Diseño Mecánico Mención Fabricación de Autopartes de Vehículos Caracterización de materiales compuestos con matriz fotopolimérica reforzados con fibras de abacá y cabuya mediante impresión 3D Marco Vinicio Pucha Tambo Nota del autor Marco Vinicio Pucha Tambo, Facultad de Ingeniería Arquitectura e Ingeniería, Universidad Internacional SEK. Director PhD. Edilberto Llanes Cedeño Codirector Ing. Jaime Molina Osejos, M.Sc. Cualquier correspondencia concerniente a este trabajo puede dirigirse a: [email protected]
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UNIVERSIDAD INTERNACIONAL SEK · Ensayo de flexion del material compuesto reforzado con fibra de abacà..... 56 Tabla 10. Ensayo de flexion del material compuesto reforzado con fibra
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CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 1 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
UNIVERSIDAD INTERNACIONAL SEK
Facultad de Arquitectura e Ingeniería
Maestría en Diseño Mecánico
Mención Fabricación de Autopartes de Vehículos
Caracterización de materiales compuestos con matriz fotopolimérica reforzados con fibras de
abacá y cabuya mediante impresión 3D
Marco Vinicio Pucha Tambo
Nota del autor
Marco Vinicio Pucha Tambo, Facultad de Ingeniería Arquitectura e Ingeniería, Universidad
Internacional SEK.
Director PhD. Edilberto Llanes Cedeño
Codirector Ing. Jaime Molina Osejos, M.Sc.
Cualquier correspondencia concerniente a este trabajo puede dirigirse a:
Estado del arte ..................................................................................................................................... 21
Materiales constitutivos del composite. .............................................................................................. 41
Análisis de los elementos constitutivos del composite. ...................................................................... 41
Fibra de abacá. .................................................................................................................................... 41
Propiedades físicas y mecánicas de la fibra de abacá. ........................................................................ 41
Cálculo de la densidad de fibra de abacá. ........................................................................................... 42
Fibra de cabuya. .................................................................................................................................. 43
Propiedades físicas y mecánicas de la fibra de cabuya. ...................................................................... 43
Cálculo de la densidad de fibra de cabuya. ......................................................................................... 44
Anexo – A ........................................................................................................................................... 87
Anexo - B ............................................................................................................................................ 88
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 6 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Lista de Figuras
Figura 1. Ventas anuales de vehículos en el Ecuador en los años 2013 – 2017; (Anuario AEADE
Figura 32. Material compuesto reforzado con fibra de abacá. a) 25X, b) 50X, c) 100X y d) 250X. ... 58
Figura 33. Probetas ensayadas del composite reforzadas con fibra de cabuya ................................... 59
Figura 34. Resultados gráficos del ensayo de flexión aplicado al composite reforzado con fibra de
cabuya; (Centro de Fomento Productivo Metalmecánico Carrocero – Honorable Gobierno Provincial
de Tungurahua). .................................................................................................................................... 61
Figura 35. Material compuesto reforzado con fibra de cabuya. a) 28X, b) 50X, c) 100X y d) 250X. . 62
Figura 36. Grafica de desplazamiento nodal de rejillas de aire acondicionado ................................... 63
Figura 37. Grafica de esfuerzos generados en las rejillas de aire acondicionado ................................ 63
Figura 38. Grafica de desplazamiento nodal de rejillas de aire acondicionado ................................... 64
Figura 39. Grafica de desplazamiento nodal de rejillas de aire acondicionado ................................... 65
Figura 40. Idealización para el cálculo de la carga aplicada a las rejillas de aire acondicionado ........ 65
Figura 41. Comparación de medias con el 95% por la prueba LSD. ................................................... 67
Figura 42. Esfuerzo máximo de flexión de materiales compuestos en función de la fracción
volumétrica de la fibra refuerzo. ........................................................................................................... 67
Figura 43. a) Microscopia de material compuesto reforzado con Abacá, b) Microscopia de material
compuesto reforzado con Cabuya. ........................................................................................................ 69
Figura 44. Probeta de material compuesto reforzado con fibra de Abacá luego del ensayo de flexión
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 52 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
RESULTADOS
En el presente capitulo se presenta los resultados obtenidos de la caracterización del
material base y el material compuesto reforzado con los dos tipos de fibras de abacá y cabuya
respectivamente.
A continuación se muestran los resultados obtenidos de los ensayos de flexión de cada una
de las configuraciones fabricadas.
Resultados del ensayo de flexión del material matriz
Se realizó la manufactura aditiva de 5 probetas para ensayos de flexión bajo la norma
ASTM 790 del material matriz con la finalidad de tener valores referenciales de este material,
en la figura 27 se muestran las probetas en las cuales se identificar que se generó fractura
posterior a ser ensayadas.
Figura 27. Probetas ensayadas del material matriz
Datos resultantes del ensayo de flexión del material matriz. En la tabla 8 se muestran
los resultados obtenidos del ensayo de flexión del material matriz del composite.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 53 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Tabla 8
Resultados de ensayo de flexión de material matriz
Probeta Fuerza
Máxima
(N)
Esfuerzo
Máximo
de Flexión
(MPa)
Módulo de
Elasticidad
secante de
Flexión
(MPa)
Deformación
máxima
(%)
Deflexión
(mm)
1 194,07 91,21 1435,10 5,90 9,816
2 168,82 83,49 1838,94 4,21 7,187
3 168,82 83,62 1483,27 5,23 8,924
4 205,11 101,75 1776,81 5,31 9,065
5 209,85 103,78 1914,09 5,03 8,583
Promedio 189,33 92,77 1689,64 5,14 8,72
Nota. Las probetas de flexión del material matriz del composite se fabricaron mediante impresión 3D con
tecnología PolyJet y los ensayos se realizaron en el Centro de Fomento Productivo Metalmecánico Carrocero –
Honorable Gobierno Provincial de Tungurahua.
En la tabla 8 podemos identificar valores promedios de tres variables importantes como
son el Esfuerzo máximo de flexión de 92,77 MPa, Módulo de elasticidad secante a la flexión
de 1689,64 MPa y una Deflexión de 8,72 mm.
En la figura 28 se muestran las gráficas resultantes del ensayo de flexión realizadas a las 5
probetas de material matriz del composite, en coordenadas Fuerza de Rotura,
Desplazamiento.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 54 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Figura 28. Resultados gráficos del ensayo de flexión aplicado al material matriz del composite; (Centro de
Fomento Productivo Metalmecánico Carrocero – Honorable Gobierno Provincial de Tungurahua)
Microscopia Electrónica de barrido del material matriz. En la figura 29 se muestran
las micrografías de la sección transversal de la resina fotopolimérica, material matriz de los
materiales compuestos.
a) b)
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 55 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
c) d)
Figura 29. Resina fotopolimérica, material matriz de los materiales compuestos. a) 26X, b) 50X, c) 100X y d)
250X.
Las micrografías mostradas se realizaron a una de las probetas posterior al ensayo de
flexión, las cuales fueron realizadas a diferente alcance con la finalidad de constatar si la
probeta presenta una superficie homogénea o a su vez existen grietas internas entre sus capas
impresas.
La micrografía realizada con un alcance de 250X nos permite verificar que la impresión
3D de las probetas ensayadas es bastante homogénea y no presenta fisuras internas, por lo
que esto nos permite consolidar los valores de las propiedades mecánicas del material matriz
obtenidas luego del ensayo de flexión.
Resultados del ensayo de flexión del composite reforzado con fibra de abacá
Se realizó la manufactura aditiva de 5 probetas para ensayos de flexión bajo la norma
ASTM 790 del composite reforzado con fibras de abacá, en la figura 30 se muestran las
probetas luego de ser ensayadas.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 56 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Figura 30. Probetas ensayadas del composite reforzadas con fibra de abacá
Se puede observar en la figura anterior que las probetas no sufrieron rotura en su totalidad;
se puede identificar que solo se generó una fractura parcial del material matriz en la zona
ensayada.
Datos resultantes del ensayo de flexión del composite reforzado con fibra de abacá.
En la Tabla 9 se muestran los resultados obtenidos del ensayo de flexión del material
compuesto reforzado con el 20 % de fibra de abacá bajo la norma ASTM 790.
Tabla 9
Ensayo de flexión del material compuesto reforzado con fibra de abacá
Probeta Fuerza
Máxima
(N)
Esfuerzo
Máximo
de Flexión
(MPa)
Módulo de
Elasticidad
secante de
Flexión
(MPa)
Deformación
máxima
(%)
Deflexión
(mm)
1 187,76 96,54 2154,44 4,16 7,238
2 145,16 73,17 2001,32 3,30 5,697
3 165,67 83,83 2447,25 3,18 5,491
4 127,8 61,28 1952,42 2,91 4,907
5 143,58 72,85 2501,22 2,70 4,681
Promedio 153,99 77,53 2211,33 3,25 5,60
Nota. Las probetas de flexión del composite se fabricaron mediante impresión 3D con tecnología PolyJet y los
ensayos se realizaron en el Centro de Fomento Productivo Metalmecánico Carrocero – Honorable Gobierno
Provincial de Tungurahua.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 57 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
En la tabla 9 se puede identificar valores promedios de tres variables importantes del
primer material compuesto reforzado con fibra de abacá como son el Esfuerzo máximo de
flexión de 77,53 MPa, Modulo de elasticidad secante a la flexión de 1811,07 MPa y una
Deflexión de 5,60 mm.
En la Figura 31 se muestran las gráficas del ensayo de flexión realizadas a las 5 probetas
del composite reforzadas con fibra de abacá, en coordenadas Fuerza de Rotura,
Desplazamiento.
Figura 31. Resultados gráficos del ensayo de flexión aplicado al composite reforzado con fibra de abacá;
(Centro de Fomento Productivo Metalmecánico Carrocero – Honorable Gobierno Provincial de Tungurahua)
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 58 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Microscopia Electrónica de barrido del composite reforzado con fibra de abacá. En la
figura 32 se muestra una microscopia electrónica de barrido que se realizó a una de las
probetas ensayadas en el área de la fractura posterior al ensayo de flexión.
a) b)
c) d)
Figura 32. Material compuesto reforzado con fibra de abacá. a) 25X, b) 50X, c) 100X y d) 250X.
Las micrografías mostradas se realizaron a una de las probetas de material compuesto
posterior al ensayo de flexión, las cuales fueron realizadas a diferente alcance con la finalidad
de constatar si existe una buena interfaz entre la matriz polimérica y la fibra natural de abacá.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 59 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
La micrografía realizada con un alcance de 250X nos permite verificar que existe una
pobre adherencia entre las fibras de refuerzo y el material matriz de resina fotopolimérica; es
decir, no existe una buena interfaz en el material compuesto.
Resultados del ensayo de flexión del composite reforzado con fibra de cabuya
Se realizó la manufactura aditiva de 5 probetas para ensayos de flexión bajo la norma
ASTM 790 del composite reforzado con fibras de cabuya, en la figura 33 se muestran las
probetas luego de ser ensayadas.
Figura 33. Probetas ensayadas del composite reforzadas con fibra de cabuya
Se puede observar en la figura antes mostrada que las probetas no sufrieron rotura en su
totalidad; se puede identificar que solo se generó una fractura parcial del material matriz en la
zona ensayada.
Datos resultantes del ensayo de flexión del composite reforzado con fibra de cabuya.
En la Tabla 10 se muestran los resultados obtenidos del ensayo de flexión del material
compuesto reforzado con el 20 % de fibra de cabuya bajo la norma ASTM 790.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 60 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Tabla 10
Ensayo de flexión del material compuesto reforzado con fibra de cabuya
Probeta Fuerza
Máxima
(N)
Esfuerzo
Máximo
de Flexión
(MPa)
Módulo de
Elasticidad
secante de
Flexión
(MPa)
Deformación
máxima
(%)
Deflexión
(mm)
1 194,07 87,73 1629,86 5,38 9,209
2 170,4 75,65 2175,31 3,48 5,906
3 198,8 89,12 1714,45 5,20 8,784
4 171,98 76,78 1672,84 4,59 7,775
5 194,07 87,00 1837,68 4,73 8,000
Promedio 185,864 83,26 1806,03 4,68 7,93
Nota. Las probetas de flexión del composite se fabricaron mediante impresión 3D con tecnología PolyJet y los
ensayos se realizaron en el Centro de Fomento Productivo Metalmecánico Carrocero – Honorable Gobierno
Provincial de Tungurahua.
En la tabla 10 se puede identificar valores promedios de tres variables importantes del
segundo material compuesto reforzado con fibra de cabuya como son el Esfuerzo máximo de
flexión de 83,26 MPa, Modulo de elasticidad secante a la flexión de 1806,03 MPa y una
Deflexión de 7,93 mm; los mismos que nos servirán para la evaluación de las propiedades
mecánicas de los materiales ensayados.
En la Figura 34 se muestran las gráficas del ensayo de flexión realizadas a las 5 probetas
del composite reforzadas con fibra de cabuya, en coordenadas Fuerza de Rotura,
Desplazamiento.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 61 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Figura 34. Resultados gráficos del ensayo de flexión aplicado al composite reforzado con fibra de cabuya;
(Centro de Fomento Productivo Metalmecánico Carrocero – Honorable Gobierno Provincial de Tungurahua).
Microscopia Electrónica de barrido del composite reforzado con fibra de cabuya. En
la figura 35 se muestra una microscopia electrónica de barrido que se realizó a una de las
probetas ensayadas en el área de la fractura posterior al ensayo de flexión.
a) b)
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 62 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
c) d)
Figura 35. Material compuesto reforzado con fibra de cabuya. a) 28X, b) 50X, c) 100X y d) 250X.
Las micrografías mostradas se realizaron a una de las probetas de material compuesto
posterior al ensayo de flexión, las cuales fueron realizadas a diferente alcance con la finalidad
de constatar si existe una buena interfaz entre la matriz polimérica y la fibra natural de
cabuya.
La micrografía realizada con un alcance de 250X nos permite verificar que existe una
pobre adherencia entre las fibras de refuerzo y el material matriz de resina fotopolimérica; es
decir, no existe una buena interfaz en el material compuesto.
Resultados de la simulación estructural de las rejillas de aire acondicionado
La simulación estructural se realizó con la ayuda del software NX 10 de Siemens con la
finalidad poder observar los valores de desplazamiento nodal y esfuerzo elemental que
presenta tanto el material original de los ductos de aire como el material matriz de los
materiales compuestos.
Rejillas de aire acondicionado de Polipropileno. En la figura 36 se puede observar los
valores correspondientes al desplazamiento nodal máximo que se genera en las rejillas de aire
acondicionado dando un valor promedio de 0.0260 mm.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 63 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Figura 36. Grafica de desplazamiento nodal de rejillas de aire acondicionado
En la figura 37 se puede verificar los valores máximos de esfuerzos que se generan en las
rejillas de aire acondicionado, bajo el análisis o criterio de falla de Von Mises dando un valor
de 0.204 MPa como esfuerzo máximo.
Figura 37. Grafica de esfuerzos generados en las rejillas de aire acondicionado
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 64 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Rejillas de aire acondicionado del Material matriz de los composites. En la figura 38 se
puede observar los valores correspondientes al desplazamiento nodal máximo que se genera
en las rejillas de aire acondicionado dando un valor promedio de 0.0487 mm.
Figura 38. Grafica de desplazamiento nodal de rejillas de aire acondicionado
En la figura 39 se puede verificar los valores máximos de esfuerzos que se generan en las
rejillas de aire acondicionado, bajo el análisis o criterio de falla de Von Mises dando un valor
de 0.206 MPa como esfuerzo máximo.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 65 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Figura 39. Grafica de desplazamiento nodal de rejillas de aire acondicionado
Cabe resaltar que en los dos tipos de análisis estructural se aplicó una fuerzo promedio de
5 N como carga sobre el elemento, dicho valor fue calculado idealizando una rejilla como una
viga soportada sobre dos apoyos y colocado un masa (0.4989 Kg) que al multiplicar por el
valor de la gravedad (9.81 m/s2) nos va un valor promedio a 5 N, la misma que genero una
deformación de la rejilla en forma experimental como se muestra en la figura 40.
Figura 40. Idealización para el cálculo de la carga aplicada a las rejillas de aire acondicionado
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 66 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Para la valoración de las propiedades mecánicas obtenidas de los materiales compuestos y
el material matriz ensayados se utilizó el programa Statgraphics Centurión XVII. Se utilizó la
técnica de análisis de varianza (ANOVA) y el método de diferencia mínima significativa
(LSD) de Fisher para discriminar entre las medias de las variables estudiadas y realizar las
comparaciones múltiples.
Esfuerzo máximo de flexión
La tabla 11 aplica un procedimiento de comparación múltiple para determinar cuáles
medias de esfuerzo máximo de flexión son significativamente diferentes de otras entre los
materiales fabricados.
Tabla 11
Método de las diferencias mínimas significativas (LSD) de Fisher, con el 95% de confianza.
Material Casos Media Grupos
homogéneos
Compuesto reforzado con Abacá (2) 5 77,534 X
Compuesto reforzado con Cabuya (3) 5 83,256 XX
Material Matriz (1) 5 92,77 X
Nota. Se designó a cada material con un número identificativo dentro del análisis, para el material matriz el
número 1, para el compuesto reforzado con fibra de Abacá el número 2 y para el compuesto reforzado con fibra
de cabuya el número 3.
Se puede observar en la tabla 11 que entre el material (1) y (2) existen diferencias
estadísticamente significativas con un nivel del 95% de confianza, tomando en cuenta que en
la columna de grupos homogéneos de estos dos materiales no comparten una misma columna
de X. Por otro lado hay que resaltar que no existen diferencias estadísticamente significativas
entre aquellos grupos de materiales que comparten una misma columna de X, en primera
instancia un grupo lo componen los materiales (2) y (3), y un segundo grupo lo componen los
materiales (1) y (3).
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 67 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
En la figura 41 se muestra en forma gráfica la comparación de las medias del esfuerzo
máximo de flexión de los materiales estudiados, mediante el método de las diferencias
mínimas significativas (LSD) de Fisher con el 95% de confianza.
Figura 41. Comparación de medias con el 95% por la prueba LSD.
El esfuerzo máximo de flexión que presentan los materiales compuestos reforzados con
fibra longitudinal de abacá y cabuya respectivamente, disminuyeron con respecto al material
matriz de resina fotopolimérica como se puede observar en la figura 42 que se muestra a
continuación.
Figura 42. Esfuerzo máximo de flexión de materiales compuestos en función de la fracción volumétrica de la fibra refuerzo.
Es
fue
rzo
Mà
xim
o d
e F
lex
iòn
(M
Pa
)
Fracciòn Volumetrica de Fibra Refuerzo
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,20
Compuesto con AbacaCompuesto con Cabuya
Material Matriz
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 68 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
La disminución del esfuerzo máximo de flexión para el material compuesto reforzado con
fibra longitudinal de abacá tuvo un valor del 16,44 %, mientras que para el material
compuesto reforzado con fibra longitudinal de cabuya tuvo un valor del 10,255%.
Cabe mencionar que en la investigación realizada por Pontón y Guerrero (2010) el
resultado del esfuerzo máximo de flexión de un material compuesto de matriz de poliéster
reforzado con fibra longitudinal de Abacá mediante estratificación manual con una fracción
volumétrica del 20 % (100 MPa) tuvo un incremento con respecto al material matriz utilizado
en este estudio, caso contrario sucedió en el presente estudio ya que el valor obtenido del
esfuerzo máximo de flexión del material compuesto reforzado con fibra longitudinal de abacá
en una fracción volumétrica del 20 % fabricado mediante impresión 3D (77,534 MPa) tuvo
una disminución con respecto al material matriz, hay que tomar en cuenta, que en el estudio
del material compuesto de matriz de poliéster reforzado con fibra de abacá antes mencionado,
se realizó un pre-mojado de las fibras con resina poliéster diluida con estireno al 10 % v/v y
el sistema catálico constituido por octoato de cobalto y MEKP en concentraciones del 0,5 y
0,75%; lo cual favoreció la adhesión de las fibras de refuerzo en la matriz de dicho material
compuesto (Pontón y Guerrero, 2010).
Por otro lado en el estudio realizado por Tamayo (2012) el resultado del esfuerzo máximo
de flexión de un material compuesto de matriz de poliéster reforzado con fibra longitudinal
de Cabuya mediante estratificación manual con una fracción volumétrica del 23 % (51,39
MPa) tuvo una disminución con respecto al material matriz analizado en ese estudio, lo cual
es comparable al resultado obtenido del esfuerzo máximo de flexión del material compuesto
reforzado con fibra longitudinal de cabuya en una fracción volumétrica del 20 % fabricado
mediante impresión 3D (83,256 MPa) que de la misma manera tuvo una disminución con
respecto al material matriz (Tamayo, 2012).
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 69 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
La disminución de esta propiedad mecánica de los materiales compuestos con respecto al
material matriz está relacionada directamente con lo que se pudo evidenciar en los resultados
obtenidos en las micrografías de los compuestos antes mencionados, ya que presentaron una
pobre interfaz entre el material matriz y la fibra refuerzo como se muestra en la figura 43.
a) b)
Figura 43. a) Microscopia de material compuesto reforzado con Abacá, b) Microscopia de material compuesto reforzado con
Cabuya.
Se debe indicar que para los dos casos de material compuesto ensayados las probetas no
sufrieron una rotura total en el área en la que se aplicó la carga en los ensayos de flexión, por
ende se puede mencionar que solo sufrió la rotura el material matriz, por tal razón también se
ve influenciado en la disminución de los valores finales del esfuerzo máximo de flexión ya
que los esfuerzos no se transmitieron en forma adecuada desde la matriz a la fibra refuerzo
porque existía una pobre interfaz de los materiales compuestos tal como se muestra en la
figura 44 y figura 45 respectivamente.
Figura 44. Probeta de material compuesto reforzado con fibra de Abacá luego del ensayo de flexión
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 70 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Figura 45. Probeta de material compuesto reforzado con fibra de Abacá luego del ensayo de flexión
Módulo de Elasticidad a la Flexión
La tabla 12 aplica un procedimiento de comparación múltiple para determinar cuáles
medias de módulo de elasticidad son significativamente diferentes de otras entre los
materiales fabricados.
Tabla 12
Método de las diferencias mínimas significativas (LSD) de Fisher, con el 95% de confianza.
Material Casos Media Grupos
homogéneos
Material Matriz (1) 5 1689,64 X
Compuesto reforzado con Cabuya (3) 5 1806,03 X
Compuesto reforzado con Abacá (2) 5 2211,33 X
Nota. Se designó a cada material con un número identificativo dentro del análisis, para el material matriz el
número 1, para el compuesto reforzado con fibra de Abacá el número 2 y para el compuesto reforzado con fibra
de cabuya el número 3.
Se puede observar en la tabla 12 que los materiales (1) y (3) presentan diferencias
estadísticamente significativas con un nivel del 95 % de confianza con respecto al material
(2), tomando en cuenta que en la columna de grupos homogéneos estos dos materiales no
comparten una misma columna de X con el material (2). Por otro lado hay que resaltar que no
existen diferencias estadísticamente significativas entre aquellos grupos de materiales que
comparten una misma columna de X, en este caso son el material (1) y (3).
En la figura 46 se muestra en un gráfico caja y bigotes la comparación de las medias del
módulo de elasticidad de los materiales estudiados, mediante el método de las diferencias
mínimas significativas (LSD) de Fisher con el 95% de confianza.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 71 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Figura 46. Grafico Caja y Bigotes para el módulo de elasticidad a la flexión
El módulo de elasticidad que presentan los materiales compuestos reforzados con fibra
longitudinal de abacá y cabuya respectivamente, tuvo un incremento con respecto al material
matriz de resina fotopolimérica como se puede observar en la figura 47 que se muestra a
continuación.
Figura 47. Módulo de elasticidad a la flexión de materiales compuestos en función de la fracción volumétrica de la fibra
refuerzo.
El incremento del módulo de elasticidad para el material compuesto reforzado con fibra
longitudinal de abacá tuvo un valor del 30,875 %, mientras que para el material compuesto
reforzado con fibra longitudinal de cabuya tuvo un valor del 6,888%.
Mò
du
lo d
e E
lasti
cid
ad
(M
Pa)
Fracciòn Volumètrica de Fibra Refuerzo
0
400
800
1200
1600
2000
2400
0 0,20
Compuesto reforzado con AbacàCompuesto reforzado con CabuyaMaterial Matriz
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 72 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Es importante resaltar que en el estudio realizado por Ponce (2011) el resultado del
módulo de elasticidad de un material compuesto de matriz polimérica biodegradable
reforzado con fibra longitudinal de Abacá mediante moldeo por compresión manual con una
fracción volumétrica del 20 % ( 5570 MPa) aumento con respecto al material matriz
analizado en ese estudio, lo cual es comparable al resultado obtenido del módulo de
elasticidad del material compuesto reforzado con fibra longitudinal de Abacá en una fracción
volumétrica del 20 % fabricado mediante impresión 3D (2211,33 MPa) que de la misma
manera tuvo un aumento con respecto al material matriz (Ponce,2011).
Adicionalmente en el estudio realizado por Tamayo (2012) el resultado del módulo de
elasticidad de un material compuesto de matriz polimérica biodegradable reforzado con fibra
longitudinal de Abacá mediante moldeo por compresión manual con una fracción
volumétrica del 20 % ( 2355,58 MPa) aumento con respecto al material matriz analizado en
ese estudio, lo cual es comparable al resultado obtenido del módulo de elasticidad del
material compuesto reforzado con fibra longitudinal de Abacá en una fracción volumétrica
del 20 % fabricado mediante impresión 3D (1806,03 MPa) que de la misma manera tuvo un
aumento con respecto al material matriz (Tamayo,2012).
Tomando en cuenta los resultados obtenidos nos permiten determinar un aumento en la
rigidez de los materiales compuestos con respecto al material matriz y que a su vez se
complementan con los valores de módulo de elasticidad obtenidos luego de los ensayos a
flexión, por lo tanto hay que resaltar que en esta propiedad mecánica tuvo una influencia
positiva las fibras de Abacá y Cabuya respectivamente, actuando como elemento de refuerzo
de los materiales compuestos.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 73 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Deflexión
La tabla 13 aplica un procedimiento de comparación múltiple para determinar cuáles
medias de deflexión son significativamente diferentes de otras entre los materiales fabricados.
Tabla 13
Método de las diferencias mínimas significativas (LSD) de Fisher, con el 95% de confianza.
Material Casos Media Grupos
homogéneos
Compuesto reforzado con Abacá (2) 5 5,6028 X
Compuesto reforzado con Cabuya (3) 5 7,9348 X
Material Matriz (1) 5 8,715 X
Nota. Se designó a cada material con un número identificativo dentro del análisis, para el material matriz el
número 1, para el compuesto reforzado con fibra de Abacá el número 2 y para el compuesto reforzado con fibra
de cabuya el número 3.
Se puede observar en la tabla 13 que los materiales (1) y (3) presentan diferencias
estadísticamente significativas con un nivel del 95% de confianza con respecto al material
(2), tomando en cuenta que en la columna de grupos homogéneos estos dos materiales no
comparten una misma columna de X con el material (2). Por otro lado hay que resaltar que no
existen diferencias estadísticamente significativas entre aquellos grupos de materiales que
comparten una misma columna de X, en este caso son el material (1) y (3).
En la figura 48 se muestra en un gráfico caja y bigotes la comparación de las medias de la
deflexión de los materiales estudiados, mediante el método de las diferencias mínimas
significativas (LSD) de Fisher con el 95% de confianza.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 74 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Figura 48. Grafico Caja y Bigotes para la deflexión.
La deflexión que presentan los materiales compuestos reforzados con fibra longitudinal de
abacá y cabuya respectivamente, disminuyeron con respecto al material matriz de resina
fotopolimérica como se puede observar en la figura 49 que se muestra a continuación.
Figura 49. Deflexión de materiales compuestos en función de la fracción volumétrica de la fibra refuerzo.
La disminución del esfuerzo máximo de flexión para el material compuesto reforzado con
fibra longitudinal de abacá tuvo un valor del 35,711%, mientras que para el material
compuesto reforzado con fibra longitudinal de cabuya tuvo un valor del 8,953%.
Defl
exiò
n (
mm
)
Fracciòn Volumètrica de Fibra Refuerzo
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0,20
Compuesto reforzado con AbacàCompuesto reforzado con CabuyaMaterial Matriz
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 75 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Tomando en cuenta los valores de deflexión obtenidos de los materiales compuestos con
respecto a la matriz, su disminución se debe a la presencia de una pobre adhesión entre la
fibra refuerzo y la matriz como se verifico en los resultados en las micrografías realizadas,
por tal razón las fibras no aportaron a mejorar esta característica mecánica de los materiales
compuestos fabricados.
Comparación de propiedades mecánicas de flexión de materiales compuestos mediante
impresión 3D con otros materiales.
En la presente sección se comparan las propiedades mecánicas de flexión obtenidas de la
caracterización de materiales compuestos reforzados con fibras de abacá y cabuya mediante
impresión 3D, con otros materiales compuestos reforzados con diferentes fibras naturales y
matrices; tomando en cuenta otros procesos de fabricación, como también la comparación
con materiales plásticos usados en la industria automotriz.
En la tabla 14 se muestran los valores de esfuerzo máximo de flexión, módulo de
elasticidad, tipo de proceso utilizado para la fabricación del material, fracción volumétrica de
la fibra refuerzo, tipo de matriz utilizado y la orientación de la fibra refuerzo.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 76 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Tabla 14
Propiedades mecánicas a flexión de diferentes materiales compuestos y plásticos utilizados en el sector automotriz
Designación
del Material
Tipo de
material
Material
Matriz
Fibra
refuerzo
Tipo de
Fabricación
Fracción
Volumétrica
de refuerzo
Orientación
de la fibra
refuerzo
Esfuerzo Máximo
de flexión
(MPa)
Módulo de
Elasticidad a la
Flexión
(MPa)
MCFI20%AL Material
Compuesto
Fotopolímero Abacá Impresión 3D 20% Longitudinal 77,534 2211,33
MCFI20%CL Material
Compuesto
Fotopolímero Cabuya Impresión 3D 20% Longitudinal 83,256 1806,03
MCPE20%AL Material
Compuesto
Poliéster Abacá Estratificación
Manual
20% Longitudinal 100 10000
MCPE23%CL Material
Compuesto
Poliéster Cabuya Estratificación
Manual
23% Longitudinal 51,39 2355,58
POLIESTER - Poliéster - - - - 56,62 1867,82
MCPB20%AL Material
Compuesto
Polimérica
Biodegradable
Abacá Por
compresión
20% Longitudinal 104,4 5570
PLA - Polimérica
Biodegradable
- - - - 69 2755
MCP20%AT Material
Compuesto
Poliéster Abacá - 20% Tejido 62,40 3976
Nota. Se designó a cada material un código en función del tipo de material, tipo de material matriz, tipo de fibra refuerzo, tipo de fabricación, fracción volumétrica
de la fibra refuerzo y la orientación del refuerzo de los diferentes materiales.
CARACTERIZACION DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES 77 MEDIANTE IMPRESIÓN 3D
Los datos son presentados a través de un gráfico de dispersión X –Y, tomando como datos
para el eje de las Y los valores correspondientes a los esfuerzos máximos de flexión y para el
eje de las X los valores correspondientes a los módulos de elasticidad a la flexión de los
distintos materiales presentados en la tabla 14. Los valores de los diferentes materiales fueron
obtenidos de los diferentes trabajos previos realizados que constan en la bibliografía como se
muestra en la figura 50.
Figura 50.Comparación de las propiedades mecánicas a flexión de distintos materiales.
Se puede resaltar que los materiales compuestos reforzados con fibras de Abacá y cabuya
mediante impresión 3D, presentan mejores características mecánicas de flexión, frente a los
materiales compuestos de matriz de poliéster y materiales bases como los polímeros
biodegradables y resinas.
De los análisis estructurales mediante simulación hay que mencionar que las rejillas de
aire acondicionado de polipropileno tuvieron un desplazamiento nodal de 0.020 mm,
mientras que las rejillas de aire acondicionado con el material matriz de los compuestos tuvo
un desplazamiento nodal de 0.0487 mm, que significa que existe una diferencia entre los
desplazamientos nodales de estos dos materiales simulados.
Esfu
erz
o M
axim
o d
e F
lexio
n (
MP
a)
Modulo de Elasticidad a la Flexion (MPa)
1,8 3,8 5,8 7,8 9,8 11,8(X 1000,0)
50
60
70
80
90
100
110
Gráfico de ESFUERZO MAXIMO DE FLEXION vs MODULO DE ELASTICIDAD DE FLEXION