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MEMORIA Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas AUTOR Yasmina Lario Perea DIRECTOR José Antonio Dieste Marcial ESPECIALIDAD Mecánica CONVOCATORIA Septiembre 2011 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 2 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas ÍNDICE GENERAL 1. INTRODUCCIÓN...........................................................................................................13 1.1. NECESIDAD DEL PROYECTO...........................................................................................................13 1.2. OBJETIVO Y ALCANCE ....................................................................................................................13 1.3. ELEMENTOS PREVIOS AL PROYECTO.............................................................................................14 1.3.1. MATERIALES DE ENSAYO.........................................................................................................14 1.3.2. ENSAYOS CONVENCIONALES...................................................................................................15 1.3.3. MÁQUINA DE LEVA..................................................................................................................15 1.3.4. EQUIPO DE MEDIDA ................................................................................................................18 1.3.5. ENTORNO Y CONDICIONES DE TRABAJO.................................................................................19 2. DESCRIPCIONES ...........................................................................................................21 2.1. FATIGA Y FLEXIÓN.........................................................................................................................21 2.2. ENSAYOS DE FATIGA......................................................................................................................21 2.3. FALLO POR FATIGA EN MATERIALES POLIMÉRICOS......................................................................22 2.3.1. FATIGA TÉRMICA.....................................................................................................................23 2.3.2. FATIGA MECÁNICA ..................................................................................................................24 2.4. PLÁSTICO .......................................................................................................................................24 2.5. POLIAMIDA 6 – NANOTUBOS DE HALLOYSITA..............................................................................25 2.6. VIBRACIONES.................................................................................................................................26 2.6.1. ACELERÓMETRO......................................................................................................................27 2.6.2. TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE VIBRACIONES................................................................................28 2.6.3. VIBRACIONES FORZADAS CON AMORTIGUAMIENTO.............................................................29 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 3 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 3. ANÁLISIS DE COMPONENTES .......................................................................................33 3.1. EQUIPO EXPERIMENTAL................................................................................................................33 3.1.1. MÁQUINA................................................................................................................................33 3.1.2. SENSORES DE VIBRACIÓN........................................................................................................40 3.1.3. EQUIPO DE MEDIDA ................................................................................................................41 3.2. TEMPERATURA..............................................................................................................................45 3.2.1. THERMOPOINT TPT40 .............................................................................................................46 4. ANÁLISIS DINÁMICO DE MATERIALES...........................................................................47 4.1. INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................47 4.2. ANALISIS MODAL...........................................................................................................................47 4.3. SOFTWARE DE CÁLCULO ...............................................................................................................48 4.3.1. FIABILIDAD DE RESULTADOS...................................................................................................48 4.3.2. CONDICIONES DE CONTORNO ................................................................................................50 4.4. MODOS DE VIBRACIÓN .................................................................................................................50 4.5. POLIAMIDA 6 NATURAL................................................................................................................51 4.5.1. PROPIEDADES DE LAS PROBETAS B.........................................................................................51 4.5.2. ANÁLISIS MODAL.....................................................................................................................51 4.5.3. ANÁLISIS DE VIBRACIONES......................................................................................................52 4.6. POLIAMIDA 6 CON 3% DE NANOTUBOS HALLOYSITA...................................................................56 4.6.1. PROPIEDADES DE LA PROBETA C.............................................................................................56 4.6.2. ANÁLISIS MODAL.....................................................................................................................56 4.6.3. ANÁLISIS DE VIBRACIONES......................................................................................................57 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 4 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.7. POLIAMIDA 6 CON 6% DE NANOTUBOS DE HALLOYSITA..............................................................62 4.7.1. PROPIEDADES DE LA PROBETA D ............................................................................................62 4.7.2. ANÁLISIS MODAL.....................................................................................................................62 4.7.3. ANÁLISIS DE VIBRACIONES......................................................................................................63 4.8. PLEXIMER.......................................................................................................................................69 4.8.1. PROPIEDADES DE LA PROBETA E.............................................................................................69 4.8.2. ANÁLISIS MODAL.....................................................................................................................69 4.8.3. ANÁLISIS DE VIBRACIONES......................................................................................................70 5. ANÁLISIS DE TIEMPO Y COSTE DE ENSAYOS CONVENCIONALES ....................................76 5.1. ANÁLISIS DE TIEMPO EN ENSAYOS CONVENCIONALES DE FATIGA...............................................76 5.2. ANÁLISIS DE COSTES EN ENSAYOS CONVENCIONALES .................................................................76 6. ANÁLISIS DE TIEMPO Y COSTE......................................................................................78 6.1. TIEMPO DE REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS..................................................................................78 6.2. COSTES...........................................................................................................................................78 6.2.1. COSTES DE INVERSIÓN ............................................................................................................78 6.2.2. COSTES DE FUNCIONAMIENTO ...............................................................................................81 7. ANALISIS DE RESULTADOS ...........................................................................................83 7.1. COMPARACIÓN DE DATOS............................................................................................................83 7.1.1. CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL MATERIAL.................................................................83 7.1.2. AMORTIGUAMIENTO...............................................................................................................83 7.1.3. FRECUENCIAS NATURALES ......................................................................................................84 7.1.4. FLEXIÓN...................................................................................................................................84 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 5 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 7.2. COMPARACIÓN DEL NÚMERO DE CICLOS SOPORTADOS .............................................................85 7.3. REDUCCIÓN DE TIEMPO................................................................................................................86 7.4. REDUCCIÓN DE COSTE...................................................................................................................86 7.5. CONCLUSIONES GENERALES..........................................................................................................87 7.5.1. MATERIALES ESTUDIADOS ......................................................................................................87 7.5.2. PROYECTO ...............................................................................................................................87 8. MÉTODO DE ENSAYO...................................................................................................88 8.1. ELEMENTOS NECESARIOS..............................................................................................................88 8.2. CONEXIONES..................................................................................................................................88 8.3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO........................................................................................................89 8.3.1. COLOCACIÓN DE LA PROBETA.................................................................................................89 8.3.2. CONEXIONES............................................................................................................................90 8.3.3. COLOCACIÓN DE LOS SENSORES.............................................................................................90 8.3.4. PC Y CONFIGURACIÓN.............................................................................................................91 8.3.5. COMUNICACIÓN PC-DETECT X1. .............................................................................................95 8.3.6. MÁQUINA DE LEVA..................................................................................................................95 8.3.7. PUESTA EN MARCHA DEL ENSAYO..........................................................................................96 10. AGRADECIMIENTOS.....................................................................................................98 11. BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................99 11.1. LIBROS, DOCUMENTOS Y PROYECTOS ........................................................................................99 11.2. INTERNET...................................................................................................................................100 11.3. NORMAS....................................................................................................................................100 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 6 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Dimensiones y geometría de las probetas ...............................................................................14 Figura 2: Esquema del amarre de la probeta y la flexión que se produce ..............................................15 Figura 3: Esquema de la máquina vibratoria sin amarres.......................................................................16 Figura 4: Motor eléctrico y variador de frecuencia .................................................................................17 Figura 5: Leva ..........................................................................................................................................17 Figura 6: Máquina de Leva......................................................................................................................17 Figura 7: Equipo Dtect X1........................................................................................................................18 Figura 8: Conjunto del acelerómetro.......................................................................................................19 Figura 9: Thermopoint TPT40..................................................................................................................19 Figura 10: Esfuerzo mecánico de flexión .................................................................................................21 Figura 11: Máquina de ensayos de fatiga de R.R.Moore y probeta necesaria .......................................22 Figura 12 : Tipos de fractura por fatiga en polímeros.............................................................................24 Figura 13: Poliamida 6.............................................................................................................................25 Figura 14: Nanotubos de halloysita.........................................................................................................25 Figura 15: Acelerómetro piezoeléctrico...................................................................................................27 Figura 16: Ejemplo de espectro de frecuencias.......................................................................................28 Figura 17: Ejemplo análisis de onda........................................................................................................28 Figura 18: Tipos de amortiguamiento.....................................................................................................31 Figura 19: Modelado 3D de la máquina de leva en Pro Engineer 5.0 .....................................................33 Figura 20: Caracterización de muelles ....................................................................................................34 Figura 21: Parametrización de los muelles..............................................................................................37 Figura 22: Parametrización del motor eléctrico......................................................................................37 Figura 23: Punto de análisis en ProE .......................................................................................................38 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 7 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Figura 24: Ejemplo de "Aliasing".............................................................................................................42 Figura 25: Ejemplo de "leakage" .............................................................................................................42 Figura 26: Efecto ventana "hanning" ......................................................................................................43 Figura 27: Dependencia de parámetros..................................................................................................44 Figura 28: Orden de configuración..........................................................................................................44 Figura 29: Tamaño de mallado de las probetas en Ansys Workbench 12.1............................................49 Figura 30: Condiciones de apoyo para el análisis dinámico....................................................................50 Figura 31: Modos de vibración................................................................................................................50 Figura 32: PA6 natural a) Punto de rotura b) Deformación plástica de apoyos ....................................54 Figura 33: Sección de falla, PA6 natural..................................................................................................55 Figura 34: PA6 3%NTH, a) Punto de fractura, b) Deformación plástica de apoyos ................................60 Figura 35: Fractura PA6 3%NTH..............................................................................................................61 Figura 36: PA6 6%NTH, a) Punto de falla, b) Deformación plástica de apoyos ......................................68 Figura 37: Sección de fractura de PA6 6%NTH........................................................................................68 Figura 38: Pleximer, a) Punto de rotura, b) Deformación plástica de apoyos.........................................74 Figura 39: Sección de fractura Pleximer..................................................................................................74 Figura 40: Esquema de conexiones del ensayo .......................................................................................88 Figura 41: Colocación de la probeta........................................................................................................90 Figura 42: Configuración de la medida, device properties......................................................................91 Figura 43: Configuración de la medida, Overview ..................................................................................92 Figura 44: Configuración de la medida, General settings .......................................................................92 Figura 45: Configuración de la medida, Sensors ....................................................................................92 Figura 46: Configuración de la medida, Data..........................................................................................93 Figura 47: Configuración de la medida, General Data............................................................................93 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 8 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Figura 48: Configuración de la medida, Window options ......................................................................94 Figura 49: Configuración de la descarga de datos, saving options.........................................................94 Figura 50: Configuración de la descarga de datos, remote ....................................................................94 Figura 51: Configuración de la medida, conecxion con Dtect X1 ............................................................95 Figura 52: Inicio de Remote Server..........................................................................................................96 Figura 53: Inicio de Data Link ..................................................................................................................97 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 9 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas ÍNDICE DE TABLAS DE CONTENIDO Tabla 1: Esquema del objetivo y alcance del proyecto............................................................................13 Tabla 2: Masa de componentes dinámicos .............................................................................................34 Tabla 3: Datos experimentales, muelle superior.....................................................................................35 Tabla 4: Datos experimentales, muelle inferior ......................................................................................35 Tabla 5: Características de los muelles....................................................................................................36 Tabla 6: Fiabilidad del software de trabajo: comparativa general.........................................................48 Tabla 7: Fiabilidad del software de trabajo: comparativa tamaño de malla..........................................49 Tabla 8: Propiedades de la probeta de PA6 natural................................................................................51 Tabla 9: Frecuencias naturales PA 6 natural..........................................................................................51 Tabla 10: Datos de ensayo, PA 6 natural ................................................................................................55 Tabla 11: Propiedades de la probeta de PA6 3%NHT..............................................................................56 Tabla 12: Frecuencias naturales PA6 3%NTH..........................................................................................56 Tabla 13: Datos de ensayo, PA 6 3%NTH ................................................................................................61 Tabla 14: Propiedades de la probeta de PA6 6%NHT..............................................................................62 Tabla 15: Frecuencias naturales PA6 6% NTH.........................................................................................62 Tabla 16: Datos de ensayo, PA6 6%NTH .................................................................................................68 Tabla 17: Propiedades de la probeta de Pleximer...................................................................................69 Tabla 18: Frecuencias naturales Pleximer...............................................................................................69 Tabla 19: Datos de ensayo, Pleximer ......................................................................................................75 Tabla 20: Tiempo de ensayo según la frecuencia de trabajo ..................................................................76 Tabla 21: Coste de un ensayo convencional (2Hz) para 10 6 ciclos ..........................................................76 Tabla 22: Coste del ensayo convencional para las pruebas especificas del proyecto.............................77 Tabla 23: Tiempo de ensayo....................................................................................................................78 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 16 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 1.3.3.2. FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE LA MÁQUINA DE LEVA Un motor eléctrico hace girar un eje unido a una leva que desplaza verticalmente un cilindro horizontal empujador, que transmite el movimiento a la probeta por su cara superior; ésta a su vez, es presionada por su cara inferior por un cilindro vertical. Todo este movimiento se lleva a cabo verticalmente arriba y abajo de una manera cíclica según la posición de la leva y gracias a unos muelles colocados en el sistema de pulsación (fig.3). 1. Motor eléctrico. 2. Acoplamiento de ejes. 3. Leva. 4. Sujeción del eje. 5. Eje. 6. Rodamiento transmisor de movimiento. 7. Placa estática del pulsador. 8. Cilindro pulsador superior. 9. Cilindro pivotante inferior. 10. Placa de bancada. 11. Probeta. 12. Variador de frecuencia. Figura 3: Esquema de la máquina vibratoria sin amarres El juego de eje-leva, gracias al motor eléctrico, y regulado por el variador de frecuencia, puede girar alrededor de 3000 rpm (50Hz). Teniendo en cuenta que realizará 2 ciclos de desplazamiento en la probeta por cada revolución, la frecuencia de ensayo se podrá aumentar de manera considerable en comparación con ensayos de fatiga convencionales, que trabajan a 1Hz (60 rpm), de esta manera, se disminuirá el tiempo de ensayo. 1.3.3.3. ELEMENTOS DESTACADOS DE LA MÁQUINA DE ENSAYOS El motor eléctrico, es un motor asíncrono trifásico, de potencia 0,37 kW y que trabaja a 2830 rpm en 50 Hz, al que se le conectó un variador de frecuencia compacto, con una potencia de 4 kW y un rango de frecuencia programado de 1- 50 Hz, (fig.4). La opción de poder regular la frecuencia es un aspecto fundamental, para controlar el funcionamiento de la máquina de ensayo y disminuir el tiempo de realización con respecto a los ensayos convencionales. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 17 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Figura 4: Motor eléctrico y variador de frecuencia El eje con un diámetro de 20 mm está fabricado en acero F-114, y se sujeta en él la leva mediante una chaveta. Este elemento está unido al eje del motor eléctrico mediante un acoplamiento mecánico. Figura 5: Leva La bancada (fig.6) está fabricada a base de placas gruesas de aluminio, ranuradas y agujereadas facilitando el montaje y desmontaje de la máquina, colocación de probetas o mantenimiento, además de proporcionar la robustez necesaria para el ensayo. Figura 6: Máquina de Leva A B La leva inicial fue fabricada en aluminio, con form a elíptica de manera que producía un desplazamiento vertical de 2 mm (fig.5, A); pero según las pruebas realizadas en la máquina de ensayos, descritas en el Anexo III: Acondicionamiento de la Máquina de Leva, fue necesario un diseño nuevo de este elemento con perfil cicloidal, desplazamiento de un centímetro y fabricada en acero (fig.5, B). Una de las mordazas se mecanizó en forma curva para poder permitir el arqueo de la probeta y simular la fijación de la probeta cómo empotrada-articulada. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 18 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Se seleccionó un ventilador para refrigerar el motor eléctrico y evitar el sobrecalentamiento en este componente. Cómo método de seguridad se instalará una pantalla de metacrilato que cubrirá el equipo durante el tiempo de ensayo, evitando atrapamientos y posibles proyecciones de material y aceite lubricante que puedan ser un riesgo. 1.3.4. EQUIPO DE MEDIDA 1.3.4.1. EQUIPO: DTECT X1 Para el análisis de vibraciones se monitorizará la máquina de ensayo con un equipo de medida Dtect X1 (fig.7) que:  Permitirá la monitorización en línea durante 2-3 semanas.  Con un Netbook, se registrará la información de la monitorización.  Almacenará datos en el dominio de tiempo y de frecuencia.  Admitirá configuración tanto de la medida, como del almacenamiento y descarga de datos. Las características del conversor analógico-digital son:  2 canales.  Resolución: 12 bit.  Máxima frecuencia de muestreo: 80 kHz.  Rango de temperatura de trabajo: 0-50 °C. Figura 7: Equipo Dtect X1 El software utilizado es FIS ADMINISTRATOR con la capacidad de configuración, diagnostico, documentación y administración de datos. 1.3.4.2. SENSORES: DYTRAN 3030B4 Cómo sensor de vibración se utilizará un acelerómetro piezoeléctrico por compresión Dytran 3030B4 de sensibilidad 10mV/g acoplado a un bloque cúbico de montaje triaxial, que se fijará a la superficie de medición mediante dos tornillos (fig.8). ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 19 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Figura 8: Conjunto del acelerómetro 1.3.4.3. TERMÓMETRO: THERMOPOINT TPT40 Se tomarán medidas de temperatura en la sección ensayada de la probeta con una pistola de temperatura portátil de medición sin contacto, Thermopoint TPT40 (fig.9), que proporcionará la temperatura en el punto de esfuerzo (o uno muy cercano) en un momento deseado. El rango de temperaturas es de -18 °C a 870 °C con una resolución de ±1°C, suficiente para el caso de utilización. Figura 9: Thermopoint TPT40 1.3.5. ENTORNO Y CONDICIONES DE TRABAJO El proyecto y realización de los ensayos se va a llevar a cabo en la nave de la Asociación de Investigación Taller de Inyección de la Industria de los Plásticos, Fundación AITIIP, centro tecnológico situado en la carretera de cogullada en Zaragoza. La ubicación de la máquina será en un espacio aislado del entorno habitual de trabajo, debido a la contaminación acústica del mecanismo durante la realización del ensayo. Deberá estar cercano a una toma de corriente eléctrica y a una toma de aire comprimido. Todos los ensayos se realizarán a temperatura y humedad ambiente. Pero debido a la probabilidad de producirse falla por un aumento excesivo de la temperatura en la sección de ensayo, se realizará la medición de la temperatura en la zona de esfuerzo o en una lo más cercana posible. Se tomarán medidas de forma aleatoria a lo largo del tiempo de ensayo registrando los posibles cambios, tanto en la probeta, cómo en puntos con posibilidad de fallo de la máquina, con la finalidad de evitar cualquier error del ensayo. Se han elegido acelerómetro s piezoeléctricos porqu e:  Tienen amplio rango dinámico y de frecuencia.  Pesan poco, (≈6g).  Son sensores robustos sin partes móviles,  Están herméticamente sellados. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 20 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas El aparato de medida a utilizar será una pistola Thermopoint TPT40. La frecuencia seleccionada para la prueba será de 20 Hz, es decir se le aplicarán aproximadamente unos 40 ciclos de flexión por segundo a la probeta. Esta frecuencia ha sido fijada según la realización de pruebas reales en la máquina de leva, asegurando su correcto funcionamiento durante un tiempo extenso de ensayo. Todas las comprobaciones necesarias de la máquina de ensayo se detallan en el Anexo III: Acondicionamiento de la Máquina de Leva. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 21 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 2. DESCRIPCIONES 2.1. FATIGA Y FLEXIÓN La fatiga de materiales es un fenómeno que se produce bajo cargas dinámicas cíclicas, produciendo el colapso del material por debajo de su límite de carga estático. El proceso de rotura por fatiga mecánica se desarrolla sin deformación plástica aparente, presentando la fractura un aspecto característico, con una zona de rotura progresiva (fisuración) y otra de rotura brusca (fragilidad). En este proceso van a intervenir numerosos factores:  Diseño  Tratamiento, dureza y acabado superficial  Temperatura  Corrosión Flexión es el tipo de deformación que presenta un elemento estructural en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento flector. La sección del material de ensayo queda dividida, sometida una de sus partes a tracción y la restante a compresión, quedando separados estos dos esfuerzos por una línea con esfuerzo nulo, llamada fibra neutra. Figura 10: Esfuerzo mecánico de flexión 2.2. ENSAYOS DE FATIGA Para determinar la resistencia de materiales bajo la acción de cargas dinámicas, se someten unas probetas de material a fuerzas repetidas constantes o variables, de magnitudes especificadas y se contabilizan los ciclos o alternaciones de esfuerzos que soporta el material hasta la falla o rotura, por ello, el ensayo de fatiga está clasificado cómo un ensayo dinámico, destructivo. En el ensayo de fatiga existen los siguientes conceptos importantes: ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 22 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas  Las fuerzas necesarias para conseguir la ruptura por cargas dinámicas, son inferiores a las necesarias en un caso estático.  Existe un umbral de carga, por debajo del cual, las probetas no se rompen, que se conoce cómo limite de fatiga. El método más utilizado para representar los datos de fatiga es la curva de Wöhler o curva S-N (Stress-Number of cicles), representa la duración de la probeta, expresada en número de ciclos hasta la rotura (N), para la máxima tensión aplicada (S). El dispositivo para ensayos de fatiga convencionales, más habitual es la máquina de viga rotatoria de alta velocidad de R. R. Moore. Ésta somete una probeta cilíndrica, entallada por el centro de su longitud y pulida en dirección axial, a flexión pura por medio de pesas. Figura 11: Máquina de ensayos de fatiga de R.R.Moore y probeta necesaria Según sea el tipo de esfuerzo al que están sometidas las probetas en el ensayo, éste puede ser:  De tracción-compresión, esfuerzos axiales alternos.  De flexión plana, en probetas de sección rectangular, empotradas y sometidas a un momento flector alterno.  De torsión, en probetas de sección circular, empotradas en un extremo y a las que se le aplica un momento de torsión alternado en sentido.  De flexión rotativa, el más comúnmente utilizado, se realiza sobre probetas cilíndricas a las que se hace girar a la vez que se les aplica, en un extremo, un momento flector constante, provocando la alternancia del esfuerzo cada media vuelta de la probeta. 2.3. FALLO POR FATIGA EN MATERIALES POLIMÉRICOS Dependiendo de la intensidad y la frecuencia del esfuerzo, el fallo de algunos polímeros ha sido descrito por dos vías diferentes: ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 23 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 2.3.1. FATIGA TÉRMICA Cuando el material polimérico es sometido a una variación de esfuerzos superior al nivel de tensiones crítico, se producen movimientos de los segmentos de sus cadenas moleculares, estos movimientos se identifican como transición vítrea o relajación viscoelástica y se producen a una temperatura propia de las características del material (Tg), normalmente termoplástico. Una parte de la energía proveniente de esos movimientos es empleada en la propia deformación del material, pero los movimientos moleculares provocan un calentamiento por fricción en la zona. La baja conductividad térmica de los materiales poliméricos, provoca que parte de ese calor no se disipe, provocando un aumento de su temperatura. Cuando la velocidad de transferencia de calor a los alrededores, por cualquiera de los mecanismos de transmisión, ya sea por conducción, convección o radiación, es inferior a la velocidad con que se genera el calor, la temperatura del material aumenta, lo que conlleva que sus propiedades mecánicas disminuyan hasta que sus valores críticos alcancen el nivel de la carga aplicada, produciéndose la rotura. Este fenómeno se denomina fallo térmico. 2.3.1.1. TEMPERATURA DE TRANSICIÓN La Temperatura de transición vítrea (Tg) es la temperatura a la que se da una seudotransición termodinámica en materiales vítreos, por lo que se encuentra en vidrios, polímeros y otros materiales inorgánicos amorfos. Esto quiere decir que, termodinámicamente hablando, no es propiamente una transición. Se entiende que es un punto intermedio de temperatura entre el estado fundido y el estado rígido del material. El estudio de Tg es más complejo en el caso de polímeros que en cualquier otro material de moléculas pequeñas. La Tg no es una temperatura a la cual específicamente ocurre el cambio de estado, existen diferentes métodos experimentales para determinarla, pero debido al carácter termodinámico de esta seudotransición, cada método provee de un valor de Tg diferente, es por ello que en los artículos científicos se provee siempre del método por el cual se determinó su valor. Para fines prácticos, no es tan importante el valor exacto de Tg, pues es comprensible que alrededor de esta temperatura, el polímero adquiere cierta plasticidad. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 24 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 2.3.2. FATIGA MECÁNICA Estos fallos también se pueden producir en los materiales poliméricos, como consecuencia de fatiga mecánica habitual a consecuencia del debilitamiento progresivo hasta finalizar en su rotura debido a la propagación de las grietas. Para producir únicamente un fallo de fatiga mecánica, será necesario un control exhaustivo del ensayo, porque el incremento local de la temperatura en la probeta puede provocar el fallo térmico por fatiga. Se podrá comprobar el tipo de rotura que se ha producido en la probeta visualizando la fractura, ya que en la rotura por fatiga térmica la deformación plástica será mucho mayor. Figura 12 : Tipos de fractura por fatiga en polímeros 2.4. PLÁSTICO Material basado en polímeros de consistencia rígida, diferenciados en dos grupos: termoplásticos y termoestables. Los termoplásticos son el grupo más numeroso, se caracterizan por ser, en general, dúctiles, de comportamiento viscoelástico que, al calentarse, se reblandecen y pueden deformarse plásticamente. Los termoestables, como su nombre indica, una vez polimerizados no se deforman en caliente y mantienen su consistencia. En general los plásticos, y de manera más destacada los termoplásticos, presentan fuertes variaciones de sus propiedades mecánicas con la temperatura, fenómeno que habrá que tener en cuenta en las condiciones de operación del material y en el entorno de ensayo. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 25 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 2.5. POLIAMIDA 6 – NANOTUBOS DE HALLOYSITA Poliamida (PA): termoplástico semicristalino que posee buena resistencia mecánica, tenacidad y resistencia al impacto; también posee buena resistencia al desgaste; por ello es apropiado en construcciones mecánicas y productos industriales. Se comercializa bajo diferentes marcas como pueden ser Nylon, Grilon, Durethan B, Nylatrom, etc. Para poliamidas de diferente naturaleza pueden existir fuertes diferencias en sus propiedades. Nanotubos halloysita (NTH): nano partículas de estructura tubular hueca de aluminio silicato natural que se usan como aditivos de polímeros para mejorar sus propiedades. Figura 13: Poliamida 6 Figura 14: Nanotubos de halloysita Los materiales nanoaditivados fueron creados en base a una matriz polimérica de poliamida 6 BADA, fundida con un masterbatch de poliamida 6, con un porcentaje del 30% de nanopartículas de nanotubos de halloysita Naturalnano. Estos dos material son obtenidos de diferente proveedor por lo que pueden existir diferencias entre las propiedades de la poliamida 6, referente a la matriz general y la poliamida 6 de la matriz del masterbatch. La probeta de pleximer es creada a partir de la fundición del masterbatch original; y la poliamida 6 natural de la probeta B, corresponde a la matriz general de las muestras. Se dispondrá de cuatro tipos de muestras de matriz de poliamida 6 con diferentes porcentajes de nanotubos de halloysita, que diferenciarán sus propiedades mecánicas.  Poliamida 6 natural sin NTH (PROBETA B).  Poliamida 6 con un 3% de NTH (PROBETA C).  Poliamida 6 con un 6% de aditivo de NTH (PROBETA D).  Pleximer: poliamida 6 con un 30% de NTH (PROBETA E). ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 32 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas  Definir los parámetros constantes del sistema: - Masa, m - Rigidez, - Coeficiente de amortiguamiento, El trabajo, experimental y de cálculo, realizado para la determinación de los parámetros dinámicos de cada probeta y la descripción de la vibración forzada producida, se describe más detalladamente en el Anexo IV: Caracterización Dinámica de Materiales. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 33 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 3. ANÁLISIS DE COMPONENTES 3.1. EQUIPO EXPERIMENTAL 3.1.1. MÁQUINA 3.1.1.1. MODELIZADO CON Pro ENGINEER Para el análisis de la máquina vibratoria se ha realizado la modelización de la misma en el programa de CAD 3D Pro ENGINEER 5.0; esto mostrará si el movimiento forzado en la probeta es el deseado. Figura 19: Modelado 3D de la máquina de leva en Pro Engineer 5.0 3.1.1.1.1. PARÁMETROS Y CONFIGURACIÓN Ha sido necesario caracterizar todos los elementos que componen la máquina para que el programa realizara los cálculos correctos. Los datos necesarios para el análisis dinámico realizado han sido: MASA Para poder representar la carga de la máquina vibratoria serán necesarias las masas de los elementos dinámicos del conjunto. Estos datos serán insertados para cada elemento, en las propiedades de masa, y junto con la geometría diseñada quedará definido el volumen y la densidad de cada elemento además de los momentos de inercia. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 34 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas COMPONENTE MASA (g) COMPONENTE MASA (g) Eje 705,50 Expulsor (pulsador abajo) 40,00 Acoplamiento 500,00 Leva 262,00 Goma de acoplamiento 55,50 Chaveta 7,50 Rodamiento 198,00 Rodamiento del pulsador 40,75 Sujeción de rodamiento 198,00 Separadores rodamiento 40,75 Perno de sujeción de rodamiento 20,00 Varilla acero vertical 14,00 Tuerca de rodamiento 10,00 Barra horizontal del pulsador 21,50 Tabla 2: Masa de componentes dinámicos MUELLES Los muelles colocados se caracterizaron por el siguiente procedimiento experimental: Se tomaron medidas de los distintos muelles en longitud natural y con diferentes masas colgando (fig.20), de este modo se pudo construir una tabla y posteriormente su gráfica enfrentando peso (N) e incremento de longitud que sufre cada muelle (m), para poder asimilar los datos a un ecuación lineal. Figura 20: Caracterización de muelles La pendiente de estas rectas de regresión, pasantes lógicamente por el origen (0,0), ya que el muelle no sufrirá alargamiento sin masa colgando, coincidirá de una manera aproximada con la constante de rigidez de cada muelle debido a la construcción experimental de la Ley de Hooke: Siendo:  F: fuerza a la que sometemos al muelle, en nuestro caso el peso (N).  K: constante de rigidez del muelle (N/m).  x : incremento de longitud que presentará el muelle, (ΔY en m) Los resultados obtenidos se describen a continuación: ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 35 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas MUELLES SUPERIORES y = 574,88x 5 9 13 17 21 25 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 MUELLE INFERIOR y = 5198,1x 15 20 25 30 35 40 45 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 MUELLE SUPERIOR DE LA MÁQUINA DE LEVA: MUELLE PULSADOR PARTE DE ARRIBA Lnat = 4,6 cm. MASA (kg) LF (cm) ΔY=LF-LI (cm) PESO (N) ΔY (m) 1,020 6,200 1,600 9,998 0,016 1,383 7,000 2,400 13,558 0,024 1,746 7,500 2,900 17,122 0,029 2,114 8,300 3,700 20,726 0,037 Tabla 3: Datos experimentales, muelle superior La constante de rigidez para los muelles superiores se asimilará a 575 N/m. Gráfico 1: Relación Peso(N)-Elongación (m) muelle superior MUELLE INFERIOR DE LA MÁQUINA DE LEVA: MUELLE PULSADOR PARTE DE ABAJO Lnat = 9,2 cm MASA (kg) Lf (cm) ΔY=Lf-Li (cm) PESO (N) ΔY (m) 2,114 9,500 0,300 20,726 0,003 2,837 9,700 0,400 27,821 0,004 3,928 10,00 0,800 38,516 0,008 Tabla 4: Datos experimentales, muelle inferior La constante de rigidez K para el muelle inferior se asimilará a 5200 N/m. Gráfico 2: Relación Peso(N)-Elongación (m) muelle inferior ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 36 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Tendremos en cuenta que no nos resultará un cálculo exacto de la rigidez, debido a los errores de medición derivados tanto de los utensilios de medida (báscula y metro), como de la percepción de los datos y montaje del conjunto por parte del operario. Cómo método comparativo al experimental se ha utilizado la fórmula de la constante de rigidez para muelles helicoidales, asumiendo que el material del que están fabricados los muelles es acero. Esto nos proporcionará otro dato sobre la constante de rigidez, dándonos una idea del rango que debe alcanzar, verificando la fiabilidad de los datos experimentales: Siendo:  K= constante de rigidez del muelle (N/m).  G= módulo de elasticidad transversal del material del muelle (Pa).  d= diámetro del alambre (m).  D=diámetro de la espira del muelle (m).  n=número de espiras MUELLE SUPERIOR MUELLE INFERIOR G Pa Pa d 0.001 m 0.002 m D 0.01265 m 0.0142 m n 9 13 K 556 N/m 4352 N/m Tabla 5: Características de los muelles Los datos por ambos métodos se encuentran en un intervalo parecido, pero se tomará cómo dato correcto el calculado experimentalmente, ya que se ha definido tomando las variables de los muelles utilizados, aproximándose más a su comportamiento real. De este modo se usarán cómo característica de los muelles las siguientes constantes: = 575 N/m = 5200 N/m ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 37 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Se insertaron en el programa de cálculo (fig.21), definiendo además de su constante de rigidez (Stiffness) obtenida experimentalmente, su diámetro (diameter) y la longitud sin deformar (length_unstretched), medidos con un pie de rey. Figura 21: Parametrización de los muelles MOTOR El motor eléctrico (fig.22) se ha asumido como un motor cinemático que provoca el giro en el eje a una velocidad constante de 7200◦/s (20 Hz). El sentido de giro nos es indiferente. Figura 22: Parametrización del motor eléctrico ANÁLISIS Se habilitó un análisis dinámico del conjunto, en el que se definieron las siguientes medidas:  Posición del pulsador  Velocidad del pulsador  Aceleración del pulsador  Fuerza de muelle superior  Fuerza del muelle inferior ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 38 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 3.1.1.1.2. RESULTADOS Se realizó el análisis de estas variables para cerciorarnos de que el movimiento era el deseado, movimiento armónico simple con una amplitud de 10 mm y una transición suave entre los ejes de la leva para disminuir en la medida de lo posible el deterioro de la máquina. El punto de medida escogido se representa en la fig.23. Está contenido en el expulsor utilizado como pulsador inferior de la máquina de leva. Figura 23: Punto de análisis en ProE En el gráfico 3, se puede observar que la variación de posición del punto de análisis es de 10 mm y que los cambios de dirección arriba-abajo y viceversa se realizan de forma progresiva, ya que no existen “picos” en las posiciones máximas y mínimas. Gráfico 3: Posición, resultado del análisis en ProE Gráfico 4: Velocidad, resultado del análisis en ProE La velocidad (gráfico 4) es máxima (positiva o negativa) cuando la posición es la mitad de su amplitud, es decir, cuando la leva contacta en su eje menor; y es nula cuando la posición es máxima o igual a la amplitud (positiva o negativa), es decir, cuando la leva contacta con el cilindro del pulsador en la posición extrema, eje mayor. PTO ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 39 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Gráfico 5: Aceleración, resultado del análisis en ProE Los gráficos obtenidos de la simulación con ProENGINEER 5.0, muestran un movimiento periódico, descrito por una función armónica, con las características de un movimiento armónico simple de amplitud 1 cm. Las gráficas de velocidad y aceleración han sido ligeramente corregidas y suavizadas, para su visualización, ya que debido a una acumulación progresiva de errores cometidos por el programa al ir obteniendo las magnitudes derivadas y a la forma de leva no totalmente regular, las gráficas mostraban puntos de imprecisión. La fuerza de los muelles también se rige por una onda periódica senoidal. Gráfico 6: Fuerza de muelles, resultado del análisis en ProE. 3.1.1.2. CÁLCULO DE FRECUENCIA Y CARGA La frecuencia seleccionada en el motor mediante el variador de frecuencia para los ensayos será de 20 Hz, fijada a partir de la realización de diversas y extensas pruebas en la máquina de ensayo, especificadas en el Anexo III: Acondicionamiento de la Máquina de leva. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 40 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Este dato de frecuencia asegurará el correcto funcionamiento del conjunto del ensayo y cumplirá con el objetivo del proyecto, aumentando la frecuencia de operación de ensayos convencionales. El motor gira a 2830 rpm cuando trabaja a 50 Hz por lo que por una sencilla regla de tres, sabremos que realizará 1132 rpm a 20 Hz, o lo que es lo mismo 18,8666 revoluciones en un segundo. Cómo por cada revolución del motor se produce dos flexiones en la probeta, debido a la forma de la leva, la frecuencia del motor será el doble en la probeta, 37,73 Hz. Introduciremos en la probeta 37,73 ciclos/s, o lo que es lo mismo 237,085 rad/s. Esta será la frecuencia de excitación de la probeta (Ω). La fuerza temporal armónica de la vibración forzada vendrá dada por la siguiente ecuación: Siendo: : Amplitud de la onda senoidal (N) : Frecuencia de excitación (rad/s) La amplitud máxima de la onda será el esfuerzo necesario para generar en la probeta un desplazamiento de flexión de 10 mm, dependiente del propio material. Este dato se especifica en el Anexo IV: caracterización dinámica de materiales. La frecuencia de excitación será la frecuencia de trabajo inducida en la probeta anteriormente calculada, 237,085 rad/s. 3.1.2. SENSORES DE VIBRACIÓN Se ha justificado la validez de los acelerómetros escogidos mediante los siguientes criterios: Masa: El conjunto del sensor, usado en la medición no debe de suponer más del 10% de la masa del sistema analizado, suponiendo una modificación de la propiedad si se sobrepasase este porcentaje. Para la realización del ensayo, aunque no se han tomado medidas de la masa del total del conjunto, es de absoluta certeza que esta medida será mayor que 0,018 kg, límite impuesto por los 18 g de masa del conjunto del acelerómetro y el cubo de colocación de este. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 41 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Por tanto la masa del sensor de vibraciones será despreciada en el sistema analizado, ya que en ningún caso superará el 10% de la masa del conjunto. En el procedimiento del cálculo de la constante de amortiguamiento de cada probeta, se utiliza sólo el sensor, con una masa de 6 g, adherido a la probeta con cera de abeja, que añadirá unos 0,5 gramos más de masa. La probeta de menor peso ensayada tendrá una masa de 9g, por lo que el sensor representará aproximadamente el 67% de su peso, modificando la propiedad estudiada. Para corregir la influencia que supondrá la masa del acelerómetro al calcular el coeficiente de amortiguamiento, se ha realizado un estudio experimental, totalmente definido en el apartado 3.3.1. Estudio experimental: Dependencia de la masa del Anexo IV: Caracterización dinámica de materiales. Rango de frecuencia: estos acelerómetros son capaces de medir frecuencias en un rango de 2 a 10.000 Hz, intervalo en el que se encuentra nuestra frecuencia de medida. 3.1.3. EQUIPO DE MEDIDA 3.1.3.1. FILTROS Denominamos ancho de banda a un intervalo de frecuencias relativamente estrecho en el que se concentra la mayor parte de la energía de la señal. Este dato lo controlaremos mediante el filtro de paso-bajo (“low-pass”) que actuará cómo filtro, tomando medidas de las señales que tenga la frecuencia menor de su valor. Se fijará el filtro de paso-bajo en cada probeta según sus frecuencias naturales, este valor no sobrepasará los 2 kHz. 3.1.3.2. FRECUENCIA DE MUESTREO, ALIASING La frecuencia de muestreo (sample rate) definirá la cantidad de muestras de la señal que tomará para realizar su representación. Una frecuencia de muestreo alta realizará una buena representación de la señal pero sobrecargará el almacén de datos, en cambio una baja frecuencia de muestreo puede darnos una representación errónea de la señal, lo que se conoce como “aliasing” (fig.24), por ello será necesario fijar un valor óptimo. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 48 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.3. SOFTWARE DE CÁLCULO Los cálculos dinámicos de los materiales se realizaron mediante los módulos de análisis, modal y estático, de Ansys Workbench 12.1. 4.3.1. FIABILIDAD DE RESULTADOS Con el fin de asegurarnos de la fiabilidad de los resultados obtenidos con el software y la correspondencia con los datos teóricos y experimentales se realizó el siguiente estudio comparativo, basándonos en la solución teórica y experimental obtenida de los documentos (“Frecuencias naturales en vigas de pared delgada doblemente asimétricas”, Daniel Ambrosini y Rodolfo Danesi (1) y “Determinación experimental de los parámetros modales” Luís Antonio Bedian ríos (2)), a partir de las propiedades y características especificadas en dichos trabajos.  Comparativa: general 1er Nodo (Hz) 2do Nodo (Hz) 3er Nodo (Hz) Solución experimental (1) 5.20 12.60 25.80 Solución ANSYS 12.1 5.20 12.20 23.41 1er Nodo (Hz) 2do Nodo (Hz) 3er Nodo (Hz) Solución experimental (2) 14.63 95.00 256.00 Solución teórica (2) 15.79 98.97 277.12 Solución ANSYS 12.1 15.92 99.72 167.4 Tabla 6: Fiabilidad del software de trabajo: comparativa general Se utilizará este software de cálculo debido a la fiabilidad demostrada en las comparaciones anteriores con soluciones analíticas y experimentales de otros dos trabajos especificados anteriormente. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 49 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas  Comparativa: tamaño del elemento de malla 1er Nodo (Hz) 2do Nodo (Hz) 3er Nodo (Hz) Solución experimental (1) 5.20 12.60 25.80 L/25 5.30 12.35 23.45 L/50 5.20 12.20 23.41 L/100 5.19 11.99 23.37 L/200 5.18 11.85 23.35 1er Nodo (Hz) 2do Nodo (Hz) 3er Nodo (Hz) Solución experimental (2) 14.63 95.00 256.00 Solución teórica (2) 15.79 98.97 277.12 L/25 15.95 99.94 167.46 L/50 15.92 99.72 167.40 L/100 15.91 99.62 167.38 L/200 15.89 99.54 167.36 Tabla 7: Fiabilidad del software de trabajo: comparativa tamaño de malla Se seleccionará un tamaño de elemento de aproximadamente de L/50, siendo L la longitud de la probeta, ya que siendo más eficiente computacionalmente, se aproxima a la solución experimental. La malla utilizada para las probetas de estudio será la mostrada en la fig.29. Figura 29: Tamaño de mallado de las probetas en Ansys Workbench 12.1 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 50 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.3.2. CONDICIONES DE CONTORNO Para el análisis dinámico será necesario además de las características del material, la geometría y la distribución de masa, las condiciones de apoyo (o de contorno) que tendrá la probeta cuando esté alojada en la máquina de leva. Estos requisitos serán los mismos para todos los materiales. Los apoyos definidos para los análisis dinámicos se especifican en el esquema de la fig.30 y será igual para cada una de las probetas ensayadas. La temperatura ambiente fijada en estos análisis será de 22°C. Figura 30: Condiciones de apoyo para el análisis dinámico 4.4. MODOS DE VIBRACIÓN Tras la realización de los análisis modales de cada probeta, se obtuvieron los modos de vibración. Los resultados fueron los mismos para todas las probetas, pero producidos a distintas frecuencias. A continuación se visualizan los 3 primeros modos de vibración, pero las frecuencias se detallan en los apartados siguientes de frecuencias naturales de cada uno de los materiales. Figura 31: Modos de vibración MODO 1 MODO 2 MODO 3 ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 51 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.5. POLIAMIDA 6 NATURAL 4.5.1. PROPIEDADES DE LAS PROBETAS B ENSAYO DE TRACCIÓN PROPIEDADES FÍSICAS AMORTIGUAMIENTO Módulo E: 2142 Mpa Límite elástico: 48.32 MPa Tensión máx.: 58 MPa Def. máx. rotura: 45.025% Masa: 0,0090 kg Volumen: 1,0725·10 -5 m 3 Densidad: 839,16 kg/m 3 0,25 N·s/m Tabla 8: Propiedades de la probeta de PA6 natural 4.5.2. ANÁLISIS MODAL FRECUENCIAS NATURALES Estos datos son los obtenidos del análisis modal con Ansys Workbench 12.1. fijando las condiciones de apoyo especificadas en el apartado 4.3.2. Condiciones de contorno y con las características de material y masa citados anteriormente En las tablas siguientes se especifican los datos de frecuencias naturales, los modos de vibración se detallan en el apartado 4.4. Modos de vibración. PA6 natural FRECUENCIA (Hz) 1er NODO 137,4 2do NODO 714,49 3er NODO 832,21 Tabla 9: Frecuencias naturales PA 6 natural FACTOR DE PARTICIPACIÓN Valores indicados en base a la unidad, se detallan los factores de participación de la dirección Y, ya que es en esta dirección en la que se realizará el esfuerzo de flexión. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 52 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.5.3. ANÁLISIS DE VIBRACIONES Se realizó un ensayo aplicando una fuerza senoidal trasversal de aproximadamente 40 Hz de frecuencia, para las probetas de Poliamida 6 natural, que tienen una longitud de 152 mm y una sección central de 40 mm 2 . Sus tres primeras frecuencias naturales en las condiciones de la prueba son de 137.40, 714.49, 832.21 Hz, respectivamente. A continuación se presentan los gráficos obtenidos en el ensayo. VALOR CARACTERÍSTICO RMS La gráfica de valor característico RMS muestran un cambio brusco de la vibración aproximadamente a las 10 horas de funcionamiento. Se produce un aumento repentino del nivel vibratorio lo que quiere decir que el material se agrieta y automáticamente el nivel disminuye fuertemente lo que explica la rotura total. Se vislumbran también algunos pequeños picos puntuales en el desarrollo del ensayo, momentos en los que se relleno el depósito de aceite y la máquina funcionó durante unos segundos sin lubricación. ENSAYO I Duración de la probeta: 10h 36m 16s – 1.527.040 ciclos Gráfico 7: Valor característico RMS, PA6 natural ensayo I ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 53 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Se muestra que la poliamida 6 natural es el material que mejor soporta las condiciones del ensayo, por su alto tiempo de resistencia. Según las gráficas RMS la ruptura del material se produce mediante el agrietamiento (inicio del cambio vibratorio), propagación de las fisuras (aumento de la severidad vibratoria) y colapso del material de una manera inmediata (disminución brusca del valor característico de vibración). GRÁFICAS FFT ENSAYO I FRACTURADO 20:39 ANTES FRACTURA 20:31 REFERENCIA 10:53 Gráfico 8: FFT, PA6 natural ensayo I Los gráficos muestran un cambio de la vibración a las 10 horas y media de funcionamiento eliminándose muchos picos múltiplos y submúltiplos de la frecuencia de excitación a 40Hz. Componentes espectrales que predominan 1x, 5x, 6x y 17,5x. Picos elevados alrededor de 700 y 850 Hz, frecuencias cercanas al segundo y tercer modo de vibración de la probeta, que tienen mayor factor de participación que el primero. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 54 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas SEÑAL TEMPORAL Gráfico 9: Señal temporal PA6 natural Señal temporal compleja con un golpeteo periódico que se amortigua a una frecuencia de aproximadamente 40Hz (cada ≈0,025s), coincidente con la frecuencia de excitación. Este perfil será debido a los golpes producidos en el cuerpo de la probeta o de los ejercidos por la probeta en los componentes de la máquina de ensayos, sobretodo el apoyo articulado. También se puede distinguir una intermitencia a 20Hz (cada 0,05 s picos más altos) de frecuencia, coincidente con la velocidad del motor, este hecho puede ser producido por el daño en algún componente dinámico del sistema, probablemente uno de los rodamientos. ANÁLISIS CUALITATIVO DE LA FRACTURA El punto de rotura coincide prácticamente con el centro de la longitud de la probeta, tendiendo a acortar, prácticamente inapreciable, el extremo empotrado. El apoyo sujetado firmemente ha sufrido un pequeño aumento de su longitud deformándose plásticamente. Figura 32: PA6 natural a) Punto de rotura b) Deformación plástica de apoyos ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 55 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas La falla se divide en dos superficies horizontales; una más lisa uniforme de pequeño espesor, inicio de la grieta; y otra irregular con aspecto fibroso y picos de fractura frágil. Se produce una pequeña estricción de la zona, pero no existe deformación plástica apreciable, por lo que suponemos que la falla se ha producido por fatiga mecánica. Figura 33: Sección de falla, PA6 natural Se resumen los factores importantes de los ensayos realizados a una frecuencia aproximada de 40Hz, para la probeta de Poliamida 6 natural (probeta B), en la siguiente tabla: ENSAYO TIEMPO Nº CICLOS OBSERVACIONES I 10h 36m 16s 1.527.040  Tipo de falla: FATIGA MECÁNICA  Componentes espectrales predominantes: 1x, 5x, 6x  Impactos a una frecuencia de 40 y 20Hz Tabla 10: Datos de ensayo, PA 6 natural ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 56 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.6. POLIAMIDA 6 CON 3% DE NANOTUBOS HALLOYSITA 4.6.1. PROPIEDADES DE LA PROBETA C ENSAYO DE TRACCIÓN PROPIEDADES FÍSICAS AMORTIGUAMIENTO Módulo E: 2543 MPa Límite elástico: 49.80 MPa Tensión máx.: 63.24 MPa Def. máx. rotura: 43.75% Masa: 0,0090 kg Volumen: 1,0725·10 -5 m 3 Densidad: 839,16 kg/m 3 0,25 N·s/m Tabla 11: Propiedades de la probeta de PA6 3% NHT 4.6.2. ANÁLISIS MODAL FRECUENCIAS NATURALES Estos datos son los obtenidos del análisis modal con Ansys Workbench 12.1. fijando las condiciones de apoyo especificadas en el apartado 4.3.2. Condiciones de contorno y con las características de material y masa citados anteriormente En las tablas siguientes se especifican los datos de frecuencias naturales, los modos de vibración se detallan en el apartado 4.4. Modos de vibración. PA6 3% NTH FRECUENCIA (Hz) 1er NODO 149,92 2do NODO 779,7 3er NODO 907,94 Tabla 12: Frecuencias naturales PA6 3% NTH FACTOR DE PARTICIPACIÓN Valores indicados en base a la unidad, se detallan los factores de participación de la dirección Y, ya que es en esta dirección en la que se realizará el esfuerzo de flexión. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 57 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.6.3. ANÁLISIS DE VIBRACIONES Se realizaron dos ensayos aplicando una fuerza senoidal trasversal de aproximadamente 40 Hz de frecuencia, para las probetas entalladas de Poliamida 6 con 3% de nanotubos de halloysita, que tienen una longitud de 152 mm y una sección central de 40 mm 2 . Sus tres primeras frecuencias naturales en las condiciones de la prueba son de 149.92, 779.7, 907.94 Hz, respectivamente. A continuación se presentan los gráficos obtenidos para cada ensayo. VALOR CARACTERÍSTICO RMS ENSAYO I Duración de la probeta: 6h 32m 15s - 941.400 ciclos Gráfico 10: Valor característico RMS, PA6 3% NTH ensayo I Las gráficas de valor característico referentes al material de poliamida 6 con 3% de nanotubos de halloysita presentan dos puntos de cambio brusco en la vibración, esto puede ser debido a que el material cambie su comportamiento al esfuerzo en un punto medio del ensayo. La interpretación más coherente a este hecho es que se produzca un primer daño en el material, grieta o deformación (concepto que se valorará en el apartado siguiente de análisis cualitativo de la fractura, y después, tras un intervalo de tiempo la rotura completa. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 64 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas ENSAYO II Duración de la probeta: 5h 18m 12s, 763.680 ciclos Gráfico 16: Valor característico RMS, PA6 6% NTH ensayo II ENSAYO III Duración de la probeta: 5h 18m 6s, 763.440 ciclos Gráfico 17: Valor característico RMS, PA6 6% NTH ensayo III GRÁFICOS FFT A continuación se muestra la variación en el ensayo de los espectros de frecuencia, a partir de tres gráficas, referencia, anterior a la fractura y fracturado, demostrando el aumento y disminución de la vibración en las frecuencias cercanas a las naturales en la probeta. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 65 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas ENSAYO I FRACTURADO 13:49 ANTES FRACTURA 13:44 REFERENCIA 11:28 Gráfico 18: FFT, PA6 6% NTH ensayo I ENSAYO II FRACTURADO 14:38 ANTES FRACTURA 14:34 REFERENCIA 10:36 En el ensayo I se detecta una disminución muy fuerte de la vibración entre las 13:44 horas y las 13: 49 horas. Las frecuencias espectrales predominantes son 1Ω, 5Ω y 13Ω. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 66 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Gráfico 19: FFT, PA6 6% NTH ensayo II ENSAYO III FRACTURADO 14:51 ANTES FRACTURA 14:43 REFERENCIA 11:03 Gráfico 20: FFT, PA6 6% NTH ensayo III Aumento hasta la rotura y posterior descenso de la frecuencia a múltiplos y submúltiplos de la frecuencia de excitación, sobretodo alrededor de 200Hz, cerca del primer modo de vibración de la probeta. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 67 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas SEÑAL TEMPORAL Gráfico 21: Señal temporal, PA6 6%NTH La señal vibratoria en función del tiempo describe un onda peródica compleja, combinación de muchas vibraciones. Se aprecia claramente en la señal que hay dos pulsaciones, aparentemente debida a choques que posteriormente se amortiguan, a unas frecuencias de alrededor de 20 y 40Hz, coincidente con la velocidad del motor y la deformación de la probeta, respectivamente. ANÁLISIS CUALITATIVO DE LA FRACTURA El punto de rotura está situado prácticamente en el centro de la longitud de la probeta. Durante el ensayo de poliamida 6 con 6% de nanotubos de halloysita se ha producido una deformación plástica del extremo empotrado, aumentando notablemente sus dimensiones de longitud. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 68 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Figura 36: PA6 6%NTH, a) Punto de falla, b) Deformación plástica de apoyos No se aprecia deformación plástica en la fractura, por lo que la probeta ha sufrido una falla por fatiga mecánica. La falla tiene una pequeña estricción y su superficie es irregular con algunos picos fibrosos. Figura 37: Sección de fractura de PA6 6% NTH Se resumen los factores importantes de los ensayos realizados para la probeta de Poliamida 6 con 6% de NTH (probeta D) a una frecuencia aproximada de 40 Hz, en la siguiente tabla: ENSAYO TIEMPO Nº CICLOS OBSERVACIONES I 4h 34m 41s 659.240 II 5h 18m 12s 763.680 III 5h 18m 6s 763.440 TOTAL 54.659 s 2.186.360 MEDIA 18220 s 728.787  Tipo de falla: FATIGA MECÁNICA  Frecuencias predominantes:1x 5x 13x  Impactos a 20 y 40 Hz Tabla 16: Datos de ensayo, PA6 6% NTH ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 69 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.8. PLEXIMER 4.8.1. PROPIEDADES DE LA PROBETA E ENSAYO DE TRACCIÓN PROPIEDADES FÍSICAS AMORTIGUAMIENTO Módulo de Young: 3048 MPa Límite elástico: 36,60 MPa Tensión máxima: 61,39 MPa Def. máx. rotura: 16,48% Masa: 0,0105 kg Volumen: 1,0725·10 -5 m 3 Densidad: 979,02 kg/m 3 0,32 N·s/m Tabla 17: Propiedades de la probeta de Pleximer 4.8.2. ANÁLISIS MODAL FRECUENCIAS NATURALES Estos datos son los obtenidos del análisis modal con Ansys Workbench 12.1. fijando las condiciones de apoyo especificadas en el apartado 4.3.2. Condiciones de contorno y con las características de material y masa especificados anteriormente en este mismo apartado, referidos al material pleximer. Los modos de vibración se visualizan en el apartado 4.4. Modos de vibración. PLEXIMER FRECUENCIA (Hz) 1er MODO 151,75 2do MODO 789,08 3er MODO 919,09 Tabla 18: Frecuencias naturales Pleximer FACTORES DE PARTICIPACIÓN Valores indicados en base a la unidad, se detallan los factores de participación de la dirección Y, ya que es en esta dirección en la que se realizará el esfuerzo de flexión. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 70 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 4.8.3. ANÁLISIS DE VIBRACIONES Se realizaron tres ensayos aplicando una fuerza senoidal trasversal de aproximadamente 40 Hz de frecuencia, para las probetas de Pleximer, que tienen una longitud de 152 mm y una sección central de 40 mm 2 . Sus tres primeras frecuencias naturales en las condiciones de la prueba son de 151.75, 789.08, 919.09 Hz, respectivamente. A continuación se presentan los gráficos obtenidos para cada ensayo. VALOR CARACTERÍSTICO RMS Un cambio muy brusco en la gráfica mostrará un hecho importante en el desarrollo del ensayo. En el caso del Pleximer, la rotura del material es muy repentina, y en la gráfica RMS se reflejará un pico pronunciado que muestra el inicio y prácticamente seguida la rotura. Esta gráfica informará del tiempo de ensayo, y por tanto, multiplicando su valor por la frecuencia de ensayo, del número de ciclos soportados. Cómo los ciclos soportados por cada probeta son más de uno asimilamos que el esfuerzo es de fatiga. Este material será el menos resistente a este esfuerzo según las condiciones de ensayo. ENSAYO I Duración de la probeta: 21 s – 840 ciclos Gráfico 22: Valor característico RMS, Pleximer ensayo I ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 71 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas ENSAYO II Duración de la probeta: 43 s – 1720 ciclos Gráfico 23: Valor característico RMS, Pleximer ensayo II ENSAYO III Duración de la probeta: 30 s – 1200 ciclos Gráfico 24: Valor característico RMS, Pleximer ensayo III GRÁFICAS FFT Se mostrarán los espectros de frecuencia para cada uno de los ensayos; En este material en concreto no será posible presentar tres medidas (referencia, antes rotura y después de rotura), ya que el material colapsa en un tiempo menor al minuto; que es el tiempo mínimo en el que el equipo de medida Dtect X1 es capaz de registrar una gráfica FFT. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 72 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas ENSAYO I Gráfico 25: FFT, Pleximer ensayo I ENSAYO II Gráfico 26: FFT, Pleximer ensayo II ENSAYO III Gráfico 27: FFT, Pleximer ensayo III Se presenta u n comportamiento no lineal de la viga. La respuesta vibratoria estacionaria de la viga a una excitación armónica de frecuencia Ω≈40Hz, tiene componentes de frecuencias múltiplos y submúltiplos de la frecuencia de excitación Ω. Las componentes espectrales predominantes aparte de la fundamental (40Hz) es a 6x y 13x, se muestran componentes alrededor de 200,800 y 900 Hz porque están cercanas a las frecuencias naturales de vibración de la probeta. Los tres ensayos comparten un perfil muy parecido del espectro de frecuencias, con pequeñas variaciones debido a que las medidas no están realizadas en el mismo estado de la probeta ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 73 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas SEÑAL TEMPORAL Los gráficos de señal temporal muestran una señal vibratoria compleja, suma de señales armónicas y aleatorias. Se puede apreciar que existen golpeteos periódicos amortiguados. a) b) c) Gráfico 28: Pleximer, a) Señal temporal, b) Impactos a 20Hz, c) Impactos a 40Hz. Se pueden diferenciar al menos dos impactos; uno a 20Hz coincidente con la velocidad de rotación del motor y otro a 40Hz definido por el esfuerzo producido en la probeta. Las pulsaciones a una frecuencia de 20Hz pueden ser producidas por un fallo en uno de los dos rodamientos del eje, para su comprobación serían necesarias las frecuencias de fallo de cada uno de los rodamientos. Este daño se tendrá en cuenta en futuros ensayos, pero no se estudia en este documento puesto que no es objetivo del proyecto. Los impactos producidos con una frecuencia de 40Hz claramente serán producto de los impactos ocasionados en la probeta de ensayo. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 80 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 6.2.1.1.3. ELEMENTOS FABRICADOS CANT . ELEMENTO MECANIZADO € MATERIAL € COSTE € 0,5 m varilla acero liso 36,00 3,50 39,50 0,8 m de eje 20mm 108,00 16,00 124,00 2 Leva 184,00 0,20 368,40 2 Soportes verticales para eje 120,00 9,60 129,60 1 Mordaza recta 80,00 3,75 83,75 1 Mordaza curva 160,00 3,60 163,60 1 Placa soporte motor 120,00 7,65 127,65 1 P laca guía 80,00 0,30 80,30 4 Patas 40,00 8,00 48,00 1 Expulsor 18,00 11,00 29,00 1 Placa Al 30mm (400x400) 120,00 55,12 175,12 TOTAL 1368,92 Tabla 27: Costes de elementos fabricados 6.2.1.2. EQUIPO DE MEDIDA, CONEXIÓN Y SEGURIDAD ELEMENTO COSTE € ELEMENTO COSTE € Acelerómetros Dytran 3034B 15 00,00 0,5m Carril Din 1,00 Equipo Dtect X1 3480,00 0,5m Carril 1,00 Fuente alimentación 24V 90,10 2 Conexiones BNC 1,25 Clavija 4,26 100 g Cera de abeja 0,98 Caja estanca 310x240x160 52,32 Base de enchufe 4,00 Cubo de metacrilato de seguridad 130 ,00 Adaptador USB - RS232 22,90 TOTAL 5287,81 Tabla 28: Costes de seguridad, conexión y medida ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 81 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 6.2.1.3. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN CANT. ELEMENTO COSTE /UNIDAD € COSTE € 1 m COBRE ∅ 4 4,25 4,25 1 m COBRE ∅ 8 3,45 3,45 1 m TUBO 4,30 4,30 1 5 unidades Racor tapón ∅ 8 3,94 3,94 1 Filtro de engrase 75,60 75,60 3 T ∅ 8 1,55 4,65 2 Cruz ∅ 8 2,00 4,00 2 Codo ∅ 8 1,50 3,00 3 Reductor ∅ 8- ∅ 4 1,60 4,80 TOTAL 107,99 Tabla 29: Costes del sistema de refrigeración - lubricación 6.2.2. COSTES DE FUNCIONAMIENTO Para obtener un dato comparativo con los costes de análisis convencionales, se sumará a los costes de inversión, los costes de funcionamiento de la máquina. Antes del cálculo se ha de decir que estos gastos resultarán prácticamente despreciables. Para la obtención de los gastos de funcionamiento, se tendrá en cuenta un material que rompa a los 10 6 ciclos ensayado a la frecuencia del proyecto, 40 Hz. CONCEPTO UNIDADES PRECIO UNITARIO € TIEMPO h TOTAL € CONSUMO ELÉCTRICO * 0,47 kW 0,1423 €/kWh 7 0, 47 LUBRICACIÓN 0, 056 L/h 7,20 €/L 7 2,80 TOTAL 3,27 Tabla 30: Coste de funcionamiento (40Hz) para 10 6 ciclos *El término de potencia será despreciado debido a su insignificancia con respecto al de energía ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 82 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas El gasto total de funcionamiento requerido para la realización de los ensayos descritos en el proyecto se describe a continuación en la siguiente tabla: CONCEPTO UNIDADES PRECIO UNITARIO € TIEMPO h TOTAL € CONSUMO ELÉCTRICO* 0,47 kW 0,1423 €/kWh 39,152 2, 62 LUBRICACIÓN 0,056 L/h 7,20 €/L 39,152 15,78 TOTAL 18,40 Tabla 31: Costes de funcionamiento de las pruebas específicas del proyecto ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 83 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 7. ANALISIS DE RESULTADOS 7.1. COMPARACIÓN DE DATOS 7.1.1. CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL MATERIAL MODULO DE YOUNG DENSIDAD 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 PA 6 NAT PA6 3% PA6 6% PLEX 750 800 850 900 950 1000 PA 6 NAT PA6 3% PA6 6% PLEX Gráfico 29: Comparación entre materiales: Módulo de Young y Densidad El Módulo de Young aumentará con la concentración de nanotubos de halloysita, quedando estable incluso disminuyendo si esta concentración es muy elevada, por lo que este aditivado, si es en baja proporción, aumentará la característica elástica de los materiales. En cuanto a la densidad, comprobamos que una adición elevada de nanopartículas afectará a su valor aumentándola. 7.1.2. AMORTIGUAMIENTO La energía cinética disipada aumentará con la concentración de nanopartículas en el material, pero para que sea significativa también lo ha de ser el aditivado. Gráfico 30: Comparación entre materiales: Constante de amortiguamiento 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 PA 6 NAT PA6 3% PA6 6% PLEX ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 84 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 7.1.3. FRECUENCIAS NATURALES Gráfico 31: Comparación entre materiales: Frecuencias naturales 7.1.4. FLEXIÓN Gráfico 32: Comparación entre materiales: Flexión El módulo obtenido del ensayo de flexión es un poco menor al obtenido por el ensayo de tracción, pero en un rango muy bajo por lo que podemos considerar los materiales ensayados isótropos. La curva de flexión demuestra que el material más resistente a flexión estática es la poliamida 6 con un porcentaje del 6% de nanotubos halloysita, y que todos comparten un perfil parecido de comportamiento ante este esfuerzo, exceptuando el pleximer. El pleximer con una concentración mucho mayor al resto, del 30% de nanotubos de halloysita, presenta una resistencia intermedia entre el resto de materiales, pero demuestra en el transcurso del ensayo una deformación menor al resto. 0 200 400 600 800 1000 1200 123 PA 6 NAT PA6 3%NTH PA6 6%NTH PLEXIMER Comparando los dat os de los distintos materiales , para el mismo modo de vibración, se demuestra una misma distribución que en el módulo de Young para todos los modos de vibración. La frecuencia natural en cada modo aumentará al aumentar la concentración de nanopartículas, disminuyendo ligeramente en el caso del Pleximer, por ser una concentración muy elevada. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 MÓDULO FLEXIÓN PA6 NAT PA6 3% NTH PA6 6% NTH PLEXIMER 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 PA6 NAT PA6 3% NTH PA6 6% NTH PLEXIMER ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 85 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 1527040 960380 728787 1253 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 PA6 NATURAL PA6 3%NTH PA6 6%NTH PLEXIMER CICLOS 7.2. COMPARACIÓN DEL NÚMERO DE CICLOS SOPORTADOS Gráfico 33: Comparación entre materiales: Nº ciclos soportados El gráfico muestra una comparación de la media de ciclos soportados por cada material, bajo las condiciones explicadas en el desarrollo del presente proyecto. Los ciclos de aguante en cada una de las probetas de un mismo material, no coinciden exactamente, pero mantienen un orden de magnitud parecido; ya que, cómo se ha explicado al inicio del documento, el proceso de fatiga es dependiente de diversos factores, que variarán ligeramente entre muestras, cómo puede ser la distribución de los nanocompuestos, la colocación en la máquina, etc. Según se refleja en el gráfico 33, se podría decir que, el aditivado de nanotubos de halloysita no mejora la resistencia a fatiga del material; ya que habiendo realizado pruebas en las mismas condiciones de esfuerzo, y bajo la misma geometría en los cuatro materiales, se demuestra un número de ciclos soportados por la poliamida 6 natural, muy por encima del resto de materiales. El hecho de que la resistencia a fatiga, no mejore, puede ser debido a la característica no homogénea de la matriz, compuesta de dos tipos diferentes de poliamida 6. Los resultados obtenidos pudieran estar altamente influenciados por la matriz polimérica secundaria, con una menor resistencia a fatiga que la principal. Probablemente los valores promedios encontrados en anteriores propiedades mecánicas estudiadas, serían posibles, con una buena mezcla entre la poliamida 6 principal y los nanocompuestos de halloysita, sin la intervención adicional de una nueva matriz polimérica del masterbatch, posibilidad a corroborar en futuros estudios. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 86 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 7.3. REDUCCIÓN DE TIEMPO tiempo Ensayo Convencional (1kHz) 783h 2m 40s Ensayo por vibraciones 39h 9m 8s Tabla 32: Resultados: reducción de tiempo La disminución del tiempo empleado en el ensayo de los materiales elegidos para el proyecto, ha resultado del 95%, con respecto a ensayos convencionales realizados a 2Hz de frecuencia. 7.4. REDUCCIÓN DE COSTE coste € Ensayo Convencional (2 Hz) 6.400 ,00 Ensayo por vibraciones (40 Hz) 18,40 Inversión inicial ensayo por vibraciones 11.16 5,60 Tabla 33: Comparación: costes Se estima que la máquina, tal y cómo se ha construido en proyecto, soporte en buenas condiciones, 500 horas de funcionamiento, por lo que resulta un índice de amortización de 22,33 €/h; quedando la comparación de gastos totales para las pruebas especificadas, de la siguiente manera: coste € Ensayo Convencional (2 Hz) 6. 400 ,00 Ensayo por vibraciones (40 Hz) 892,66 Tabla 34: Resultados: reducción de costes La reducción obtenida en los gastos ha resultado de alrededor del 86%, pudiendo ser este índice mucho mayor aumentando la inversión en la máquina construida, que contaría con un índice de amortización más bajo. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 87 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 7.5. CONCLUSIONES GENERALES 7.5.1. MATERIALES ESTUDIADOS  Las propiedades mecánicas finales de los materiales aditivados, no son proporcionales al contenido en peso de nanotubos de halloysita.  Los materiales obtenidos tienen un comportamiento a tracción y flexión no lineal.  Los módulos de flexión y elasticidad mejoran un 20-40% sin deteriorar la ductilidad del material.  En general el aditivado de NTH en pequeñas cantidades, mejora las propiedades mecánicas.  Los materiales mezclados comparten buenas propiedades y suponen bajo coste.  La matriz de poliamida 6 incluida en el masterbatch afecta de manera muy negativa en el esfuerzo de fatiga, necesario de corroborar con futuros estudios. 7.5.2. PROYECTO  La reducción de tiempo y coste obtenido es muy elevada, pero no supone un método de ensayo normalizado, sólo se obtienen datos a nivel comparativo entre muestras.  Una mejora de la máquina de ensayos supondría, un número mayor de horas de funcionamiento en correcto estado, y por lo tanto un índice de amortización mucho menor, que implicaría una mayor rentabilidad del proyecto.  La necesidad por parte de la empresa, de la realización de este tipo de pruebas comparativas, determinarán la viabilidad de mejorar el proyecto. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 88 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 8. MÉTODO DE ENSAYO 8.1. ELEMENTOS NECESARIOS Los elementos necesarios para realizar el ensayo son:  Maquina de leva que produce la vibración en la probeta, con el sistema de lubricación conectado, para garantizar el correcto funcionamiento.  Acelerómetros, comunican el equipo de medida con la fuente de vibración, captando la señal vibratoria.  Equipo de medida, situado dentro de la caja estanca, recibe la señal de los acelerómetros y transmite la medición al ordenador.  Adaptador USB-RS232 para comunicar el equipo de medida con el ordenador.  Ordenador con el software instalado, medio de descarga y almacén de datos, que permitirá el procesamiento de las medidas y la visualización de estas.  Fuente de alimentación, 24V 2.5A, suministrará la corriente eléctrica a la máquina de leva y al equipo de medida Dtect X1.  Toma de aire comprimido, para el funcionamiento del sistema de lubricación.  Pistola de temperatura.  Probetas a ensayar. 8.2. CONEXIONES Figura 40: Esquema de conexiones del ensayo ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 89 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas A. MÁQUINA DE LEVA - DTEC X1 Los sensores captan la señal vibratoria por contacto directo a la máquina de leva, a la que estarán sujetos firmemente por unos pequeños tornillos. Estos acelerómetros transmiten la señal por un cable coaxial, y se encuentran unidos al equipo de medida Dtect X1 mediante dos conexiones BNC, que insertan directamente en las dos entradas del equipo (Imput 1 e Imput 2). B, C. MÁQUINA DE LEVA, DTEC X1 - FUENTE DE ALIMENTACIÓN Todos los equipos que componen el ensayo necesitarán corriente eléctrica para su funcionamiento, por ello estarán debidamente conectados a una fuente de alimentación de 24V y 2.5 A, y ésta a su vez a la red eléctrica. D, E. DTEC X1 - PC Se conectará el equipo Dtect X1 y el PC mediante un adaptador USB-RS232. El equipo Dtect X1, la fuente de alimentación y el adaptador USB-RS232 están alojados en una caja estanca preparada para la rápida y cómoda conexión, además de su portabilidad. Cómo entrada lleva un enchufe de red eléctrica, dónde se conectará la máquina de leva, y dos conectores BNC para insertar los acelerómetros en los dos canales disponibles del equipo de medida. De ella salen la conexión USB al PC y el cable de red eléctrica para conectar a una toma de corriente. Para el funcionamiento del sistema de lubricación será necesaria una toma de aire comprimido conectada a la unidad FRL200. 8.3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 8.3.1. COLOCACIÓN DE LA PROBETA Se encajará la probeta a analizar entre las dos mordazas, en la mordaza recta estará firmemente sujeta, mientras que en la probeta curva se le permitirá el arqueo. El pulsador debe de quedar en el centro de su anchura sin curvarla. Para realizar este correcto montaje será imprescindible soltar las fijaciones de las mordazas, bajar el pulsador vertical inferior hacia abajo con una herramienta adecuada hasta separar el contacto con el superior, he introducir la probeta entre los tres huecos. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 96 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas  VARIADOR DE FRECUENCIA Se tapará mediante un plástico protector para evitar las salpicaduras de aceite lubricante Deberá estar fijado a la frecuencia de ensayo, aproximadamente 20 Hz.  MOTOR Se deberá conectar el ventilador que lleva incorporado para evitar el sobrecalentamiento.  SISTEMA DE LUBRICACIÓN Se comunicará la unidad de lubricación FRL200 con la toma de aire comprimido, a 2 bar de presión y 1 gota de aceite aproximadamente cada 5 segundos. Se comprobará que el aceite cae en el lugar oportuno y no existe ninguna fuga en el sistema. 8.3.7. PUESTA EN MARCHA DEL ENSAYO Con todo debidamente conectado y configurado, además de estar colocada la probeta oportuna se deberán seguir los siguientes pasos para el inicio del ensayo. 1. Remote Server, en el se añade el puerto al que está conectado el aparato de medida (Add comunication channel/serial (seleccionar puerto y fijar un nombre)). Iniciar con el símbolo de start. Figura 52: Inicio de Remote Server 2. Data Link, seleccionar la base de datos a utilizar (File/Select database), esta tiene que ser la misma que la utilizada en Configuration Management. Iniciar pulsando el símbolo de start. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 97 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas Figura 53: Inicio de Data Link 3. Iniciar Configuration Manager (opcional), visualiza las medidas que se vayan registrando. 4. Encender ventilador del motor. 5. Conectar el sistema de lubricación mediante la llave de apertura del aire comprimido. Comprobar que la unidad FRL 200 trabaja a 2 bares de presión y expulsa una gota cada 5 segundos aproximadamente, sino regularlo. 6. Comprobar que los acelerómetros y el variador de frecuencia están protegidos de las salpicaduras de aceite. 7. Regular el variador a 20 Hz y pulsar el botón de verde de Stara, ayudando al motor a realizar su primer giro. 8. Tapar la máquina con el cubo de protección. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 98 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 10. AGRADECIMIENTOS En primer lugar quisiera agradecer a Aitiip centro tecnológico la oportunidad que me ha brindado para realizar este proyecto, la dedicación y apoyo de todos sus miembros, en especial de los compañeros de oficina técnica. A mis compañeros del departamento de ingeniería mecánica, por su disposición a ayudarme. Y por su puesto a David, quien en la mayoría de situaciones se ha manchado las manos por mí, invirtiendo todo el tiempo posible y más. A mis amigos por su apoyo. A mi madre, mi hermana, Adolfo y Carlos, porque sin ellos jamás hubiese llegado hasta aquí y a mi padre, al que añoro tremendamente, porque su recuerdo me da fuerza en todo lo que hago. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 99 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas 11. BIBLIOGRAFÍA 11.1. LIBROS, DOCUMENTOS Y PROYECTOS  “Ingeniería de materiales para industria y construcción”, Jesús Martín Sanjosé, María Antonieta Madre Sediles, José Manuel Franco Gimeno.  “Método basado en vibraciones para realizar pruebas de fatiga en materiales compuestos”, Alexander Peralta, Frederick A. Just, David Serrano y Basir Shafiq.  “Introducción a la ciencia de los materiales”, William D. Callister.  “Selección de materiales en el diseño que máquinas”, Carles Riba Romera.  “Análisis de vibraciones”, Gen White.  “Comportamiento en fatiga de poliamidas reforzadas con fibra de vidrio corta”, tesis doctoral de José Antonio Casado del Prado.  “Evaluación de las curvas S-N-P en el ensayo de fatiga en flexión en cuatro puntos”, M. Toledano, M. A. Arenas, A. Donado, A. Monsalve, L. Ramírez, A. Conde.  “Análisis a fatiga de polietilenos de alta densidad (PEAD) utilizados en tuberías”, Raúl Machado.  “Vibration Spectrum Analysis” S.Goldman.  “Machinery Analysis and Monitoring” J. Mitchell.  “Diseño e implantación de un analizador virtual de vibraciones mecánicas” E.Estupiñán, C. San martín, R. Solaligue.  “Introducción al análisis espectral”, J. Luque  “Apuntes de instrumentación electrónica” Universidad Politécnica de Cartagena, departamento de Electrónica, Tecnología de Computadoras y Proyectos.  “Frecuencias naturales en vigas de pared delgada doblemente asimétricas” Mecánica Computacional Vol. XXIII, Daniel Ambrosini y Rodolfo Danesi.  “Introducción al procesamiento digital de señales” Juan Vignolo Barchiesi.  “Apuntes de Vibraciones Mecánicas” Javier Abad, Dto. Ingeniería Mecánica, Escuela de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza.  “Teorías de falla dinámica. Análisis de falla por fatiga”, Marcelo Tulio Piovan.  “Medición y análisis de las vibraciones como técnica de inspección de equipos y componentes, aplicaciones, normativas y certificación” Pedro Nelson Saavedra.  “Tabla de resistencia química” Proyectos y delegaciones, S.L.  “Yield and fatigue behavior of polypropylene and polyamide-6 nanocomposites”, P.K. MALLICK. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Yasmina Lario Perea 100 Ensayo de fatiga en materiales poliméricos reforzados con nanopartículas mediante vibraciones mecánicas  “Apuntes de Teoría de Mecanismos” Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Carlos III de Madrid.  “Análisis modal de la tapa armónica de una guitarra clásica mediante la aplicación de Ansys”, Torres T. Alejandro.  “Análisis modal operacional: teoría y práctica” Manuel Rodríguez Súnico.  “Tutorial de vibraciones para mantenimiento mecánico” A-Maq S.A. 11.2. INTERNET  www.tripod.com  www.wikipedia.es  www.naturalnano.com  www.jq.com  books.google.es  www.aitiip.com  www.u-cursos.cl/ingenieria  www.iberisa.com  www.DLIengineering.com  www.feadomain.com 11.3. NORMAS  UNE 95-010-86 “Vibraciones y choques, terminología”.  UNE 7117 “Ensayo de fatiga en materiales metálicos”.  UNE 7118 “Clases y ejecución de los ensayos de fatiga de los materiales metálicos”.  ISO 2372 “Vibración mecánica de máquinas con velocidades de operación entre 10 y 200 rev/s”.