Optimización de las herramientas de predicción de propiedades mecánicas de materiales compuestos termoplásticos reforzados con fibras obtenidos por moldeo por inyección

Abstract

En la actualidad, uno de los factores más importantes a la hora de diseñar un vehículo es la constante búsqueda en la reducción del peso. Esta disminución ofrece no solo beneficios económicos sino también ambientales que están directamente relacionados con el ahorro de energía en los procesos de fabricación y en la posterior vida en servicio. Las autopartes inyectadas basadas en polímeros proveen soluciones en cuanto a la disminución de peso, incrementos en las velocidades de producción y disminución de costos con respecto a piezas metálicas, pero se ven limitadas en algunas aplicaciones estructurales donde no pueden competir con los metales. Por tal motivo y con el fin de ampliar el espectro de aplicaciones, la tecnología de polímeros reforzados con fibras es una de las estrategias más utilizadas para mejorar el desempeño mecánico de los polímeros manteniendo sus ventajas. Las propiedades mecánicas de estos materiales son proporcionales a la relación de esbeltez de las fibras. Es por ello que, en el caso de autopartes fabricadas por moldeo por inyección a partir de polímeros reforzados con fibras, la ruptura de fibras durante el llenado de moldes es un factor clave que se debe minimizar. El aislamiento experimental de los parámetros que causan la rotura de la fibra es crítico para la validación de los modelos matemáticos que permitan predecir este fenómeno. La Reometría Capilar de polímeros es un método experimental que permite controlar el tiempo de residencia del polímero bajo la acción de una tensión y velocidad de corte controlados en flujo por presión a través de un capilar. El tipo de flujo desarrollado en el llenado de moldes presenta las mismas características que el de reometría capilar con la diferencia de que el primero se desarrolla en geometrías complejas y en condiciones no-isotérmicas. Esto produce que la tensión y velocidad de corte sean función de la posición y del tiempo, lo cual limita el control de los parámetros fluidodinámicos bajo los cuales se desarrolla el proceso de ruptura de fibras. Estas características hacen que la reometría capilar sea un potencial candidato para mejorar la precisión de la validación experimental de modelos de ruptura de fibras en llenado de moldes. En este trabajo, se demostró que los reómetros capilares convencionales no son útiles para cumplir con los objetivos propuestos. Esto se atribuyó a que no es posible evitar interacciones fibra-equipo debido a que el diámetro de los capilares es del mismo orden de magnitud que la longitud de las fibras utilizadas en compuestos de fibras cortas. Estas interacciones actúan en simultáneo con los parámetros de flujo superponiendo sus efectos sobre la ruptura de fibra. Incrementar el diámetro del capilar a su vez manteniendo la velocidad de deformación en el rango de la de procesos de moldeo por inyección tampoco es posible por las limitaciones en la velocidad de traversa de reómetros convencionales. Por esta razón, es de interés el desarrollo de reómetros con diámetros de capilar entre 4 y 10 mm adaptables a máquinas de moldeo por inyección donde las presiones máximas de trabajo son de al menos 1 orden de magnitud mayores que las de los reómetros capilares convencionales permitiendo alcanzar velocidades de corte en el rango de moldeo por inyección. El objetivo general de este trabajo fue cuantificar la ruptura de fibras en condiciones de flujo controladas por medio de un reómetro capilar con capilares de 4 mm de diámetro adaptado a una inyectora de termoplásticos, el cual surge como continuación del proyecto iniciado por el Dr. Ludueña, quien a su vez se desempeñó como director de esta tesis, en el marco de su estancia de Investigación en el Instituto de Polímeros y Compuestos de la Universidad de Minho, Guimaraes, Portugal. En el transcurso de dicho proyecto el Dr. Ludueña diseñó y construyó un reómetro capilar adaptable a inyectoras de polímeros a partir del cual se obtuvieron las muestras de materiales analizadas en el presente trabajo. El proceso de ruptura de fibras se cuantificó a velocidades de corte en la pared del capilar constantes en el rango de 7000 a 28000 seg -1. También se analizó el efecto del tiempo de residencia dentro del capilar en el rango 5 a 21 ms a velocidad de corte constante de 28000 seg -1. Las longitudes promedio de fibra disminuyeron linealmente en función de la velocidad de corte. Por otro lado, se encontró que tiempos de residencia del orden de milisegundos dentro del capilar tienen un efecto significativo en la rotura de la fibra, lo cual no ha sido reportado previamente en la literatura. Como trabajo a futuro, los datos experimentales obtenidos podrán ser utilizados para validar el modelo de ruptura de fibras implementado en el simulador de inyección MoldFlow hallando así el factor de arrastre anisotrópico, el coeficiente de rotura (Cb) y el factor de control del perfil de probabilidad (S) del modelo de rotura de fibra de Phelps y col. para diferentes compuestos termoplástico/fibra. [1]