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Anisotropía; un concepto fundamental para el diseño de piezas compuestas de alto rendimiento

Hay diferentes formas de incorporar la fibra en una matriz termoplástica, por ejemplo; fibras orientadas aleatoriamente, fibras continuas unidireccionales o tejido multidireccional. Y gracias a esta orientación de las fibras añadidas podemos establecer propiedades favorables para la fabricación de piezas utilizadas comúnmente en la industria automotriz.

Como sabemos los estudios realizados en el área de materiales se orientan a la evaluación de propiedades físicas en materiales convencionales, como las aleaciones metálicas de aplicación tecnología y al desarrollo de nuevos materiales (cerámicos, compuestos, polímeros, entre otros). Dentro de estos estudios podemos ver que uno de los objetivos de investigación es el mejoramiento de las propiedades y es a partir de estas investigaciones que nace la anisotropía.

La anisotropía está relacionada con los mecanismos de deformación activos en los granos que componen al material, y la textura cristalográfica, la cual determina una distribución preferencial de las orientaciones en el seno del material. Existen diferentes formas de incorporar la fibra a la matriz termoplástica: fibras orientadas aleatoriamente, fibras continuas unidireccionales o tejido multidireccional.

Figura-1-Orientaciones-posibles-del-refuerzo-en-un-material-compuesto-a-fibras

Esta orientación de las fibras agregadas juega un papel importante cuando se trata de propiedades. Mientras que las fibras orientadas al azar aumentan la resistencia y la rigidez en comparación con el polímero puro hasta cierto punto, la adición de fibras orientadas en una dirección preferencial aumenta significativamente el rendimiento en esta dirección de la pieza. Esta orientación preferencial da al compuesto propiedades anisotrópicas, es decir, las propiedades en la orientación de la fibra están dominadas por las propiedades de la fibra y, perpendicularmente a ella, las propiedades de la matriz son más pronunciadas. 

Ahora bien es necesario conocer este comportamiento anisotrópico para el diseño y producción de estos componentes compuestos, porque cuando se pasa por alto o no se conoce la anisotropía de un material, puede causar problemas importantes en el producto final. Por ejemplo, las superficies planas pueden doblarse o, formar grietas o romperse.

Para comprender los mecanismo que relacionan la textura con el comportamiento plástico del material anisótropo se requiere:

  • Resultados experimentales, que permitan obtener información con respecto a:
  • Los mecanismos de deformación activos
  • Parámetros y resultados de ensayos mecánicos
  • Descripción de la textura resultante de procesos de deformación plástica
  • Una modelización que nos permita relacionar los datos experimentales

Uno de los métodos que nos permitirá determinar la anisotropía, es decir, algunos de los puntos mencionados anteriormente, es mediante el Análisis Térmico. Usando el método de Análisis Termomecánico (TMA), los cambios dimensionales y por lo tanto el Coeficiente de expansión térmica (CTE) de los polímeros reforzados con fibra, se pueden determinar en diferentes direcciones del material.

Un ejemplo claro es el estudio realizado por la Dra. Natalie Rudolph, el cual te dejo en la descripción de abajo, quien determinó el CTE de materiales compuestos de alto rendimiento en función de la dirección de la fibra mediante el TMA 402 F3.

Conoce el estudio dando clic aquí Anisotropic behavior of the composite

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Referencias:

  • Rudolph, D. and Rudolph, D., 2020. Why Knowledge About Anisotropy Is Crucial When Designing High-Performance Composite Parts. [online] NETZSCH – the Thermal Analysis Blog. Available at: <https://ta-netzsch.com/why-knowledge-about-anisotropy-is-crucial-when-designing-high-performance-composite-parts> [Accessed 13 October 2020].
  • Lefl'ers “Textures in Research and Practice”. Springer Verlag, Berlin, 120 (1969).
  • F.Kocks. “Constitutive Equations in Plasticity”. A.S.Argon, ed. MIT Press, 81 (1975).
  • Inagaki. Textures and Microstructures, 8, 173 (1988).

 

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MC Antonio Camacho
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Especialista de producto

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