Parte 9 Orientación en plástico reforzado con fibra

Contenido

1. ¿Qué es el plástico reforzado con fibra?

2. ¿Cuál es la orientación del plástico reforzado con fibra?

3. ¿Qué es el tensor de orientación?

4. Formato de resultado de la orientación de la fibra

5. Resumen

¿Qué es el plástico reforzado con fibra?

El plástico reforzado con fibra es un material que contiene materiales de refuerzo como la fibra de vidrio para mejorar la resistencia mecánica de la resina y brindar funcionalidad. Existen varios tipos de materiales de refuerzo fibrosos que se pueden utilizar, como fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de aramida y minerales naturales, y el tipo y la cantidad de materiales de refuerzo se seleccionan en función del propósito, el costo y el desempeño ambiental.

[Ejemplos de materiales reforzados con fibra]

■ Fibra de vidrio (GF)

Las resinas que contienen GF tienen una excelente resistencia y resistencia a la compresión y una estabilidad dimensional mejorada.
Ejemplos de uso: parachoques de automóviles y paneles de puertas, cascos de barcos, artículos deportivos como palos de golf y cañas de pescar, etc.

■ Fibra de carbono (CF)

Las resinas que contienen CF son ligeras, tienen una excelente resistencia mecánica y proporcionan una gran rigidez. También tienen excelentes propiedades de deslizamiento y resistencia a la abrasión. Debido a que son conductoras, se utilizan cuando se requieren propiedades eléctricas.
Ejemplos de uso: Automóviles, industria aeroespacial, materiales de construcción, artículos deportivos, etc.

■ Fibra de aramida (AF)

Las resinas que contienen AF son ligeras, resistentes y tienen una excelente durabilidad. Tienen una resistencia al impacto, una tenacidad y una resistencia a la abrasión extremadamente altas. También tienen un coeficiente de expansión térmica muy bajo. Sin embargo, son un material de refuerzo muy caro en comparación con el GF y otros materiales.
Ejemplos de uso: equipos antibalas como cascos antibalas y blindaje de vehículos militares, piezas estructurales de automóviles, cuadros de bicicletas, raquetas de tenis, etc.

■ Minerales naturales

Cuando se utilizan minerales naturales como fibra de silicato de magnesio hidratado (sepiolita) y fibra de silicato de calcio (wollastonita) como materiales de refuerzo, se convierte en un plástico con excelente resistencia al calor, resistencia a la abrasión, etc. En comparación con el GF, tiene una excelente estabilidad dimensional debido a su menor relación de aspecto.
Ejemplos de uso: vajillas, equipos de oficina, piezas de automóviles, etc.

¿Qué es la orientación del plástico reforzado con fibra?

Dado que los materiales de refuerzo son fibrosos, durante el moldeo por inyección se produce una orientación que afecta a las propiedades del material. La orientación significa que las fibras están alineadas en una dirección determinada. Los materiales no reforzados tienen propiedades materiales que son independientes de la dirección, lo que se denomina isotropía, mientras que las propiedades materiales que cambian según la dirección se denominan anisotropía. En general, los plásticos que contienen materiales reforzados con fibra tienden a mostrar una anisotropía significativa. A continuación se muestra un ejemplo.

• Resistencia mecánica: la resistencia y la rigidez cambian significativamente dependiendo de la orientación.
• Deformación: Las fibras se restringen, lo que provoca anisotropía en la contracción y la deformación.
• Conductividad térmica: La conductividad térmica de las fibras utilizadas difiere de la de la resina, por lo que la conductividad térmica cambia dependiendo de la orientación.

 

Como tal, la orientación tiene un gran efecto en las propiedades del material, por lo que cuando se utilizan plásticos reforzados con fibra, es importante comprender la orientación desde la etapa de diseño.

En el análisis de moldeo por inyección, se puede analizar la orientación de las fibras. La orientación de las fibras se ve afectada por las condiciones de moldeo, el comportamiento del material y la relación de aspecto y la concentración de las fibras. Si no se tiene en cuenta adecuadamente el comportamiento de las fibras en la resina, la predicción de la orientación estará lejos de la realidad, por lo que es necesario verificar las condiciones de entrada del análisis.

¿Qué es el tensor de orientación?

El tensor de orientación es una distribución de probabilidad que indica el grado en que las fibras están orientadas en un sistema de coordenadas tridimensional. Cuanto más cercano a 1 esté el valor para un eje específico, más alineadas estarán las fibras a lo largo de ese eje y la suma de los valores de los tres ejes será 1. En otras palabras, el tensor de orientación de las fibras tiene información sobre la dirección y la relación.

En una placa delgada con una forma simple, las fibras están fuertemente orientadas en la dirección del flujo. A medida que la placa se vuelve más gruesa, las fibras tienden a orientarse en la dirección del flujo en las capas superficiales, pero en las capas intermedias, tienden a orientarse perpendicularmente a la dirección del flujo o de manera aleatoria, como se muestra en la Figura 1. De esta manera, la distribución de la orientación local se puede expresar utilizando el tensor de orientación, pero esto requiere un patrón de flujo preciso.

Formato de resultado de orientación de fibra

La orientación de la fibra se genera como un tensor de orientación para cada pieza. Como se mencionó anteriormente, es necesario tener en cuenta la orientación de la fibra para predecir con precisión la resistencia de la pieza.

■ Ejemplo utilizando una placa plana

En la Figura 2 se muestra una comparación entre los resultados del análisis y los valores medidos reales para una placa plana. Como se muestra en la ilustración superior de la Figura 2, en las capas superficiales (lados frontal y posterior) de la placa, las fibras están orientadas principalmente en la dirección del flujo (dirección del eje X), mientras que en la capa intermedia (centro del espesor de la placa), las fibras están orientadas principalmente en la dirección perpendicular al flujo (dirección del eje Y), lo que da como resultado una distribución de orientación de fibra diferente entre las capas superficial y media.
Además, es importante comprender el grado de coincidencia entre el producto moldeado real y los resultados del análisis para mejorar la precisión de la predicción. En estas verificaciones, los resultados también cambiarán si se modifica la relación de aspecto o el contenido de la fibra. Es importante utilizar datos de materiales para el análisis del material de destino.

A continuación se muestra un ejemplo concreto de cómo se utilizan los resultados de la orientación de la fibra:

■ Ejemplo de análisis de deformación

La orientación de las fibras también es importante en el análisis de deformaciones. La anisotropía de la contracción de la resina debido a la orientación se calcula para cada pieza y el estado de deformación se calcula en función de los resultados. Estos están integrados en el software de análisis de moldeo por inyección, por lo que cuando se utiliza plástico reforzado con fibra, es necesario comprobar el grado de deformación causado por la orientación de las fibras y si hay algún problema con las especificaciones. Una forma eficaz de resolver la deformación es cambiar el patrón de llenado modificando la posición de la compuerta, etc.

■ Uso en análisis estructural

Dependiendo de la orientación de las fibras, la resistencia y la rigidez se vuelven anisotrópicas. Con plásticos reforzados con fibras, el efecto de refuerzo es mayor en la dirección en la que se alinean las fibras. Dado que existen diferencias en las propiedades físicas entre la dirección de flujo de las fibras y la dirección perpendicular a la dirección de flujo, las características de las fibras de refuerzo se pueden aprovechar al máximo garantizando que la resistencia y la rigidez se obtengan en la dirección en la que la resistencia es particularmente necesaria en la etapa de diseño.

En el producto moldeado real, el tensor de orientación de cada pieza resultante del análisis de moldeo por inyección se asigna a un modelo para el análisis estructural, y el análisis se realiza utilizando los datos del material para el análisis estructural. Específicamente, como se muestra en la Figura 3, las pruebas de resistencia se realizan en piezas de prueba cortadas en diferentes ángulos a partir de una placa plana obtenida por moldeo por inyección, y los datos del material para el análisis estructural se crean en función de la correlación con el tensor de orientación. Esto acerca el análisis estructural al comportamiento del producto moldeado real y se utiliza en el diseño.

Resumen

Las propiedades físicas de los plásticos que contienen refuerzo de fibra cambian según la orientación de la fibra. Si bien el uso de refuerzo de fibra mejora la resistencia y la rigidez y contribuye a la reducción de peso al reemplazar los metales, también puede causar problemas como deformaciones. Por este motivo, los diseñadores y selectores de materiales deben comprender las características del refuerzo de fibra y utilizar el análisis de moldeo por inyección para predecir y tomar medidas con anticipación, lo que conduce a una mejor calidad del diseño.

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