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Desarrollo y Estudio de un Material Compuesto a Base de Fibras de Cabuya para el Guardafangos
de una Bicicleta
Gandhi Carvajal Nelson Guayta Luis Marcillo Alejandro Lalvay Carina Vallejo
Email: [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
Escuela Politécnica del Ejército, Carrera de Ingeniería Mecatrónica, 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 resistant, flexible, resistant to corrosion and long life) will determine whether it is feasible to build this piece with the material developed.
KEYWORD – Cabuya Fiber, Polymer, Test, Test-Tube, Composite.
I. 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.
L
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.
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.
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.
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 planta del agave se producen fibras aptas para
fabricar textiles [2].
Figura 1. Planta de Cabuya o Agave Americana
Tabla 1. Dimensiones de células individuales de las fibras de agave
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 ser expuestos a enfermedades de la piel.
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 grEstireno 250 grCobalto 1 mlMek 10 mlTabla 3. Porcentajes de químicos a adicionar para elaborar la resina poliéster.
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.
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 eséreo-regularidad. 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 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].
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.
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.
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]
Figura 4. Dimensiones de la probeta para el ensayo de tracción, según norma ASTM D3039-08
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 2.5FLEXIÓN 160 13 4IMPACTO 127 12.7 12.7Tabla 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 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 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 10. Probetas
III. RESULTADOS
A. Ensayo de TracciónPara 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 12. Ensayo de tensión.
Los resultados obtenidos del ensayo para ambas probetas fueron los siguientes:
Figura 13. Fuerza vs. Deformación (probeta fibras en sentido longitudinal, resultado le laboratorio).
Figura 14. Fuerza vs. Deformación (probeta fibras en forma de malla, resultado de laboratorio).
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:
Distribu-ción de Fibras
σnorm max
kpsi (MPa)
E kpsi (MPa)
%elonga-cion
Longitu-dinal
2.115 (14.58)
13.22 (91.13)
1.41
Malla 1.320 (9.106)
8.25 (56.91)
1.36
Tabla 8. Resultados ensayo de tracción.
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).
Figura 15. Ensayo de flexión (probeta fibras en forma de malla, resultado de laboratorio).
Fuerza [N] Desplazamiento [mm]6 1
10 215 321 426 531 636 740 845 949 1052 1155 1258 1360 1460 1561 1662 1763 1864 1964 2061 2162 2262 2362 2460 2560 2660 2759 2858 29
Tabla 9. Resultados ensayo de flexión. (probeta fibras en forma de malla, resultado de laboratorio).
0 5 10 15 20 25 30 350
10203040506070
Fuerza vs. Desplazamiento
Desplazamiento [mm]
Fuer
za [N
]
Figura 14. Gráfica de resultados Fuerza vs. Desplazamiento .Ensayo de flexión (probeta fibras en forma de malla).
0 5 10 15 20 25 30 3505
1015202530
Esfuerzo vs. Desplazamiento
Desplazamiento [mm]
Esfu
erzo
[MPa
]
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 18 2
12 317 420 524 625 726 827 927 1030 1131 1232 1333 1434 1533 1632 1733 1834 1934 2034 2133 2230 2329 24
Tabla 10. Resultados ensayo de flexión. (Probeta fibras longitudinal, resultado de laboratorio).
0 5 10 15 20 25 30 350
20
40
Fuerza vs. De-splazamiento
Desplazamiento [mm]
Fuer
za [N
]
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 Fibras
σflex max
[MPa]Longitudinal 34.86
Malla 25.41Tabla 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.
Figura 17. Probeta después del ensayo.
E. Ensayo de DurezaCon 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 241HB32 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.
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 guardafangosLos 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 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
Material CompuestoFibra
LongitudinalFibra
MalladaTensión max. [N/m2]
7,51e+08
6,97e+08 6,97e+08
Tensión min. [N/m2]
416688 469978 469005
Desplaz max. [mm]
8,79 19718.7 31575,5
Desplaz min. [mm]
0 0 0
Deform. Unitaria min.
1.36e-06 0.0033072 0,00529341
Deform. Unitaria max.
0.001513 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.
V. REFERENCIAS
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[11] Ponce S. (2011) Obtención de materiales compuestos de matriz polimérica biodegradable reforzada con fibra natural.
[12] http://www.topseis.com/Doc/poliester.pdf
[13] http://www.plastiquimica.cl/pdf/Revestimiento.pdf
[14] http://procesosiii.blogcindario.com/2009/05/00010-fibras.html
ANEXOS
MATERIAL COMPUESTO
(Agave americana- poliéster)
DETALLE DE LA COMPOSICION DE LAS PROBETAS
PROBETA TIPO MALLA
RESINA DE POLIESTER
OCTOATO DE COBALTO
MECK PEROXIDO
MONOMERO DE ESTIRENO
FIBRA DE CABUYA
POLIÉSTER-CABUYA
500 gr. 1 ml. 10 ml. 250 gr. 250X 25 mm2
PROBETA TIPO LONGITUDINALES
RESINA DE POLIESTER
OCTOATO DE COBALTO
MECK PEROXIDO
MONOMERO DE ESTIRENO
FIBRA DE CABUYA
POLIÉSTER-CABUYA
500 gr. 1 ml. 10 ml. 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
MATERIALESDESCRIPCIO
NPRECIO FUENTE
Resina WWAS 710 g
52,91
http://www.pintulac.com.ec/
producto_grupo_detalle.php?codigo=13325
Endurecedor WWB4 290 g
Resina de poliéster 1000 g
10,55 Del proveedormeck peróxido 100 ml
octoato de cobalto 100 mlmonómero de estireno 500 g
Estireno Monómero 1000 g
25,2https://
www.compositesshop.com/art.php
Cloruro de tetrametilamonio
100 ml
Tolueno 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
![[193042] Creación de un material compuesto a partir de](https://img.pdfslide.es/doc/110x75/62c0f88db2cf0012f4216be9/193042-creacin-de-un-material-compuesto-a-partir-de-.jpg)
