Fabricación de probetas para ensayos. Norma ASTM

Los estándares de calidad presentes hoy día en cualquier industria exigen de un exhaustivo control y caracterización de las propiedades de los materiales con los que se trabaja. Cuando se trata de labores de ingeniería relativas a los materiales compuestos, el esfuerzo va dirigido a la caracterización de las propiedades mecánicas de los laminados. Para conseguirlo se puede recurrir principalmente a dos métodos: o bien se utilizan valores teóricos o bien se realizan ensayos que arrojen valores empíricos.

Cuando se trata de labores de ingeniería relativas a los materiales compuestos, el esfuerzo va dirigido a la caracterización de las propiedades mecánicas de los laminados.

En el caso de optar por el uso de valores teóricos, se ahorra en tiempo y en esfuerzo a priori, pero se corre el riesgo de introducir errores de cálculo más que apreciables.

Por otro lado, si se decide realizar ensayos de probetas para los distintos casos de cargas, tendremos datos fiables que permitirán una optimización real del diseño. Estos ensayos se deben realizar siempre de acuerdo a una normativa que garantice la repetitividad (capacidad de obtener los mismos resultados dentro del laboratorio original) y la reproductibilidad (capacidad de obtener los mismos resultados en otros laboratorios distintos al original).

En el caso de ensayos para materiales compuestos con matrices poliméricas, la American Standar for Tests and Measures (ASTM), posee una serie de normas para distintos casos de carga, asociados a la obtención de cada uno de las características mecánicas del material. Entre estas se encuentran la D 3039/D 3039M para ensayos a tracción y la D 5379/D 5379M para ensayos a cortadura. En ellas se caracterizan la geometría y las dimensiones de las probetas y sus tolerancias, así como las cargas a aplicar y la forma de proceder para la realización del ensayo. También se incluyen los cálculos que se deben llevar a cabo para obtener las características mecánicas deseadas.

Para estos dos ensayos, se ha decidido laminar una serie de placas planas con diferentes materiales para estudiar sus características: honeycomb de aramida, fibra de carbono, fibra de vidrio y fibras de aramida, todas ellas preimpregnadas.

La placa 1 (EXP005-19006-001) consiste en un laminado de 9 capas de fibra de carbono de 200 g/m2, siendo la primera de “calidad visual”. El laminado se orienta equilibradamente (0°/90° y 45°/-45°) y de manera simétrica para evitar deformaciones y esfuerzos internos durante el curado. El espesor total teórico es de 1,83 mm.
La placa 2 (EXP005-19006-002) se trata de un laminado de fibras de aramida en una mitad y un laminado de fibras de aramida con fibras de vidrio intercaladas en la otra mitad. El gramaje de las fibras de aramida es de 170 g/m2, mientras que el de las fibras de vidrio es de 300 g/m2. Esta probeta va orientada a comprobar si las fibras de vidrio facilitan el mecanizado de las de aramida. Los espesores teóricos son de 2,97 mm (para la parte de aramida) y de 2,734 mm (para la parte de sándwich aramida-vidrio).

La placa 3 (EXP005-19006-004) se trata de una estructura tipos “sándwich”. Se lamina un velo de fibra de vidrio (50 g/m2) para garantizar un buen acabado, seguido de una capa de fibra de vidrio de 300 g/m2. A continuación, se coloca una capa de adhesivo y después, un núcleo con estructura de panal de abeja o honeycomb de 3 mm de espesor. Este núcleo proporciona un mayor espesor y resistencia a compresión. De nuevo, se lamina una capa de adhesivo y otra de fibra de vidrio idéntica a la anterior, obteniendo así un laminado geométrico. El espesor teórico total de la placa es de 3,692 mm.

Tras el laminado y curado de estas placas, se procede a mecanizar las probetas que servirán para realizar los ensayos ya descritos. Se debe prestar especial atención a los radios de acuerdo y tolerancias geométricas (perpendicularidad y paralelismo de las distintas caras).

En la siguiente imagen se muestran las medidas estándar de las probetas (definidas en la norma ASTM), aunque admiten ciertas modificaciones en los espesores y radios de acuerdo, en función de la dirección del laminado. También se admite la unión de zonas de mayor espesor en los extremos de las probetas para facilitar el agarre a los bancos de ensayo. En nuestro caso, no se ha considerado su necesidad.

Dimensiones y tolerancias de las probetas según norma ASTM

Con el laminado de estas placas no solo se pretende determinar las características mecánicas de los materiales compuestos, sino también llevar a cabo controles de espesores. Antes del laminado se calcula el espesor teórico, midiendo tras el curado el espesor real y comprobando las desviaciones.

Esperamos a través de estas pruebas, desarrollar una capacidad cada vez mayor de producir conjuntos de probetas para ensayos, tanto los y descritos, como el resto de los recogidos en la norma ASTM.