Análisis experimental de tensiones residuales en materiales plásticos mediante el método de taladro

Este artículo describe la aplicación de un sistema automático de medición de tensiones residuales en estructuras polímeras obtenidas por moldeo. Se ha desarrollado un accesorio para el sistema de medición automática Restan MTS3000, consistente, esencialmente, en un motor eléctrico de baja velocidad y un sistema de control electrónico.

1. Introducción

En los últimos cincuenta años, la industria de los plásticos se ha desarrollado enormemente, llegando a superar a la del acero en cuanto a aplicaciones técnicas. Este desarrollo ha dado lugar a nuevas sustancias sintéticas que, de forma progresiva, han ido sustituyendo a los materiales tradicionales. Igualmente, se ha producido una profunda revisión de las estructuras, las formas ergonómicas y los procesos de producción.

En pocas palabras, estos materiales se han hecho onmipresentes porque son baratos, ligeros y fáciles de trabajar, y porque es posible diseñar las propiedades mecánicas de interés. Precisamente, para esto último se necesita una caracterización mecánica precisa y detallada. De ahí surge la necesidad de conocer yestudiar el valor de las tensiones residuales inducidas por los procesos de mecanización de estos materiales.

Por otro lado, durante el moldeo por inyección de polímeros aparecen tensiones residuales —debido al flujo de plástico derretido, a la distribución de la presión, a la falta de uniformidad del gradiente de temperatura y a la distribución de densidad— que afectan a las propiedades mecánicas de los plásticos. Estas tensiones, además, pueden alterar la forma final y reducir de forma significativa la esperanza de vida del producto, aumentando de paso la inestabilidad dimensional y propiciando la aparición de fisuras a causa de tensiones ambientales. Aunque las tensiones residuales son frecuentes en los plásticos, puede ser difícil predecir su importancia, ya que dependen de un gran número de variables, como el diseño del molde, el material o los parámetros de proceso. Por lo tanto, es importante disponer de una técnica fiable para evaluar las tensiones existentes en los componentes de plástico.

El método de taladro con galgas extensométricas permite medir las tensiones residuales en una gran variedad de plásticos moldeados. Este método tiene la gran ventaja de que permite hacer mediciones sobre una área pequeña. El método consiste en pegar una roseta de galgas extensométricas a la superficie de una probeta para después taladrar con precisión un orificio en el centro de la roseta. Las deformaciones que se miden en la superficie corresponden a las tensiones relajadas durante el proceso de taladro. A partir de las deformaciones medidas y del uso de modelos adecuados (por ejemplo, la norma ASTM E837) es posible calcular las tensiones en los dos ejes principales, y su dirección.

2. Sistema de medida

Fig 1: a) Sistema MTS3000 modificado para medir tensiones residuales en materiales plásticos.

La configuración mecánica del sistema de taladro se muestra en la Figura 1a. Se basa en el sistema Restan - MTS 3000, perfectamente contrastado, desarrollado por SINT Technology y comercializado en colaboración con HBM.

La Figura 1b muestra la herramienta de perforación, de diseño especial, que permite taladrar un orificio a velocidades por debajo de 200 rpm. Esta velocidad minimiza el calentamiento y las tensiones residuales a escala local inducidas en el material que se desea analizar. La herramienta de corte se muestra en la Figura 1c. Se trata de una fresa con dos aristas de corte perpendiculares a la dirección de avance, de 1,6 mm de diámetro. que produce orificios con el fondo plano y trabaja a baja velocidad de rotación.

El taladro se regula y controla automáticamente a través de un sistema de control electrónico y un software de control. De este modo, se consigue un proceso de perforación totalmente automatizado. Todo el aparato de medición se puede manejar de forma remota, lo cual resulta muy aconsejable, ya que reduce al mínimo las influencias externas del operador durante el proceso de medición.

La Figura 2 muestra una roseta de tres galgas extensométricas de tipo precableado (preferible en este tipo de pruebas, no solo porque se instala más deprisa sino porque, además, no se genera calor soldando hilos). Las tensiones residuales existentes en el componente objeto de la prueba se determinan a partir de los valores de deformación medidos por las rejillas de las galgas adheridas a la superficie del componente.

Los datos adquiridos se procesan empleando una versión especial del software EVAL, desarrollado por SINT Technology srl específicamente para procesar las tensiones en materiales plásticos. Esta versión hace uso de una interpolación polinómica optimizada de las tensiones medidas. Dichas tensiones se procesan de acuerdo con la norma ASTM E837.

Figura 2 - Roseta: K-RY61-1.5/120R-3 precableada de HBM

3. Procedimiento de prueba

A continuación se describen las principales operaciones que se llevan a cabo cuando el método de taladro se aplica a materiales plásticos:

Limpiar la superficie con un producto de limpieza adecuado, con el fin de eliminar cualquier resto de suciedad que impida que las galgas se adhieran a la superficie del polímero.
Pegar las galgas extensométricas a la superficie del polímero empleando un adhesivo que no afecte a las propiedades del polímero. En muchas aplicaciones, se puede utilizar un adhesivo de cianoacrilato.
Siempre que sea posible se recomienda utilizar rosetas de galgas extensométricas precableadas. Estas rosetas eliminan los efectos negativos del calor emitido por el soldador en las tensiones residuales del polímero. Si no es posible emplear rosetas precableadas, se recomienda utilizar un soporte y reducir al mínimo el tiempo de soldadura.
Fijar el sistema de taladro a la probeta y asegurarse de que el eje de perforación sea perpendicular a la superficie.
Con ayuda de un microscopio óptico, alinear el visor de modo que coincida exactamente con el centro de la roseta.
Sustituir el microscopio por la herramienta de perforación y taladrar con precisión en el centro de la roseta.
Colocar cinta conductora, de un determinado grosor, sobre las galgas extensométricas, con cuidado de no tapar todas las marcas de referencia.
Hacer avanzar el taladro hasta que alcance la superficie de la cinta conductora. Volver a poner en marcha el taladro y hacerlo avanzar hasta que corte a través de la cinta conductora y del material de soporte de la roseta. Ese punto es la profundidad "cero" de perforación.
Registrar las lecturas de cada una de las galgas extensométricasmanteniendo la fresa en contacto con la superficie y dejando un tiempo suficiente para que la señal se estabilice (tiempo de retardo).
Definir la velocidad de avance, la profundidad máxima, el número de pasos de taladro y el tiempo de retardo en el sistema automático. Los orificios se practican a incrementos de aprox. 0,05 mm, de acuerdo con la norma ASTM E837.
En cada paso de taladro, registrar las lecturas de las tres galgas extensométricas y la profundidad del orificio.
Sustituir el sistema de taladro por el microscopio y medir el diámetro y la excentricidad del orificio, efectuando para ello cuatro traslaciones en dos ejes perpendiculares.

3.1 Preparación de la superficie y pegado

Es preciso estudiar y tener en cuenta la afinidad química de cada material plástico con los disolventes y adhesivos utilizados en la instalación. Un adhesivo inadecuado puede introducir perturbaciones en el montaje de las galgas extensométricas o incluso dañar el componente objeto de la prueba. Se aconseja limpiar la superficie empleando un método mecánico.

A título de ejemplo, la Tabla 1 indica los requisitos para instalar correctamente una galga extensométrica en algunos materiales plásticos.

Tabla 1. Preparativos para la instalación de galgas extensométricas sobre algunos materiales plásticos.

3.2 Determinación de la profundidad de contacto (punto cero)

La determinación de la profundidad inicial es una aspecto clave de una medición correcta de tensiones residuales con el método de taladro.

En el caso de los materiales metálicos, este punto se determina mediante un contacto eléctrico. De forma totalmente automática, el sistema MTS3000 detiene la herramienta en cuanto el taladro alcanza la superficie del componente, después de atravesar la capa de poliamida de la roseta de galgas extensométricas.

En el caso de los materiales plásticos, el punto cero no puede determinarse mediante un simple contacto eléctrico, puesto que los plásticos no son conductores. No obstante, es posible recurrir a algunas operaciones para determinar el punto "cero".

Se puede utilizar uno de estos dos métodos:

Determinación manual de la profundidad "cero", deteniendo la herramienta cuando empiece a producir limaduras de plástico (Figura 3, izquierda), o bien
Empleo de una cinta adhesiva especial de aluminio, con la que es posible determinar automáticamente la profundidad "cero". Una vez que se determina el punto "cero" es necesario transformar el sistema en una distancia igual a la suma de los espesores de la roseta y de la cinta de aluminio especial (Figura 3, derecha).

Figura 3. Técnicas para determinar la profundidad de taladro inicial.

4. Determinación de los parámetros operativos

Cuando se miden tensiones residuales en materiales plásticos con el método de taladro, las implicaciones son distintas de los casos en los que se emplea este mismo método con materiales metálicos. En los materiales plásticos, el módulo de elasticidad es más bajo; por lo tanto, las deformaciones son mucho más grandes para una misma carga. Además, el plástico es más sensible a la operación de retirada de material. Por todo ello, a la hora de adquirir lecturas de deformación es preciso seleccionar con cuidado la velocidad de corte, la velocidad de avance y el tiempo de retardo.

4.1 Velocidad de giro durante la perforación

Sin duda, la velocidad de perforaciónes uno de los parámetros que más influyen en la medición de tensiones residuales en materiales plásticos con el método de taladro. No se puede taladrar a alta velocidad con una turbina de aire comprimido (el método normal cuando se miden tensiones residuales en materiales metálicos), porque el calor que se genera funde el plástico e incrementa de forma considerable la temperatura en el punto de aplicación de las galgas extensométricas.

Como ejemplo, la Figura 4a muestra un orificio en un material plástico practicado con un sistema de alta velocidad con turbina de aire. Resulta evidente que el plástico se derrite en los laterales del orificio. Si se reduce la presión de aire comprimido y, por tanto, la velocidad de la turbina de aire, este efecto se reduce, aunque no desaparece por completo.

Por lo tanto, la velocidad de corte debe ser muy baja. En la Figura 4b se puede apreciar la calidad de un orificio practicado con un sistema de taladro de baja velocidad (menos de 200 rpm), diseñado para medir tensiones residuales en materiales plásticos.

Figure 4: a) hole made with a turbine fed with air compressed to a pressure of 4 bars

b) hole made with an electric motor at low speed

c) strain gauge during the drilling process

4.2 Velocidad de avance

Como muchos plásticos son muy sensibles a las tensiones mecánicas, se han llevado a cabo diversas pruebas experimentales de perforación con el fin de determinar la velocidad de avance óptima.

Los resultados de las pruebas han demostrado que la herramienta de perforación debe avanzar muy despacio, con el fin de reducir el tiempo de inestabilidad después de taladrar. Pero reducir la velocidad de avance también implica que se tarda más tiempo en medir las tensiones residuales; por lo tanto, la necesidad de hallar el justo medio entre estos dos aspectos ha llevado a determinar la velocidad óptima para perforar orificios en materiales plásticos.

La Tabla 2 muestra el tiempo necesario para taladrar y el tiempo medio de estabilización para cada una de las velocidades de avance analizadas. El mejor compromiso se consigue con una velocidad de avance de 0,1 mm/min.

Tabla 2. Tiempo necesario para medir tensiones residuales en materiales plásticos.

4.3 Elección del tiempo de retardo

Los tiempos de retardo hacen posible adquirir lecturas de deformación después de que la probeta vuelva a un estado de equilibrio térmico y mecánico después de taladrar el orificio. Las pruebas han demostrado que el equilibrio térmico, que se ve influido por el proceso de perforación, se alcanza al cabo de unos pocos segundos.

Para evaluar el tiempo necesario para que la probeta regrese a una situación de equilibrio mecánico, ha sido preciso hacer pruebas y medir la tendencia de las deformaciones a lo largo de todo el proceso de perforación del material plástico.

Esta tendencia se ha podido medir con ayuda del amplificador QuantumX y del software de adquisición catman ambos de HBM. Los resultados, que se presentan en la Figura 5, revelan que el sistema es mecánicamente inestable durante el proceso de perforación y que es preciso esperar unos 90 segundos para que el sistema vuelva a un estado estable. Si se aplica un tiempo de retardo suficiente, pueden observarse las curvas habituales de deformación en función de la profundidad para cada rejilla de galgas extensométricas. Las curvas se refieren a pruebas con una velocidad de avance de 0,2 mm/min.

Esas mismas pruebas experimentales se han llevado a cabo durante la perforación de materiales metálicos (acero y aluminio). Los resultados han permitido caracterizar el comportamiento del sistema, en este caso con tiempos de estabilización más rápidos (3-5 segundos). En las Figuras 6 y 7 se pueden observar en detalle las tendencias de deformación en un material metálico (acero) y en otro plástico (policarbonato).

Figura 5. A la izquierda, adquisición de deformaciones en función del tiempo. A la derecha, deformaciones en función de la profundidad de perforación.

4.4 Verificación de la variación de temperatura en el componente plástico

Una vez diseñado el sistema de taladro, se midió la temperatura en un componente plástico (policarbonato) durante el proceso de perforación. Se practicó un orificio de 2 mm de profundidad y se adquirieron lecturas de temperatura de la probeta por medio de un termopar tipo K instalado a la misma distancia del orificio que las rejillas de las galgas extensométricas, en posición opuesta a la rejilla 2 (o B).

La Figura 8 muestra la temperatura frente a la profundidad del orificio. Para la prueba, se definió un tiempo de retardo de 20 segundos entre pasos de taladro y una velocidad de avance de 0,2 mm/min (velocidad estándar en pruebas de materiales metálicos, como acero).

Los resultados indican que la herramienta de perforación no genera un calor excesivo en las rejillas de las galgas extensométricas. La máxima variación de temperatura se produce al final del paso de taladro y es inferior a 1 °C.

Por otro lado, durante el tiempo de retardo se observa una rápida reducción de la temperatura del componente y un retorno a la temperatura inicial. De hecho se puede ver que, al cabo de 20 segundos, la temperatura vuelve a los valores iniciales. La máxima variación medida con respecto a la temperatura inicial es de 0,24 °C.

Figura 6. Tendencia de la deformación durante la perforación de un material metálico.

Figura 7. Tendencia de la deformación durante la perforación de un material plástico.

Figura 8: A la izquierda, tendencias de temperatura medidas. A la derecha, variaciones máximas de temperatura para cada intervalo.

Figura 9. Posiciones de los puntos de medición en las pruebas sobre policarbonato.

Figura 10. Etapas de taladro en las pruebas sobre policarbonato.

5. Pruebas realizadas y resultados obtenidos

Se hicieron pruebas de un componente plástico de policarbonato de un electrodoméstico. El material tenía un módulo de Young de 2650 MPa, un coeficiente de Poisson de 0,37 y una resistencia a la tracción de 80 MPa.
Se ajustaron las condiciones de prueba siguientes en el sistema automático de medida:

Profundidad máxima: 2 mm
Paso de taladro: 0,05 mm
Número de pasos: 40
Tendencia del paso de taladro: lineal
Velocidad de avance: 0,1 mm/min
Tiempo de retardo: 90 s
Roseta de galgas extensométricas: K-RY61-1.5/120R-3 precableada, con conexión de 3 hilos, de HBM
Amplificador de galgas extensométricas SPIDER 8.30, de HBM

Se definieron tres puntos de medición. Sus posiciones de muestran en la Figura 9. En la Figura 10 pueden observarse dos etapas de perforación.

Como ejemplo, la Figura 11 muestra los resultados de tensiones residuales obtenidos para el punto de medición 1. Las gráficas muestran las tendencias de las deformaciones, las tensiones principales y el ángulo alfa, todo ello medido conforme a la norma ASTM E837. Se obtuvieron resultados similares para los demás puntos de medición, que, por brevedad, no se incluyen.

Figura 11a. Deformación frente a profundidad

Figura 11b. Test de uniformidad (ASTM E837-08))

Figura 11c. Tensiones principales y tensión idean frente a profundidad

Figura 11d. Ángulo alfa frente a profundidad

6. Conclusiones

El empleo de un sistema automático de medición de tensiones residuales en materiales plásticoses indispensable para obtener medidas fiables en los materiales analizados. Los métodos de taladro manual o de taladro de alta velocidad no permiten obtener mediciones fiables.

Se han definido parámetros óptimos para el proceso de perforación y para la adquisición de los valores de deformación, aplicando el método de taladro a componentes plásticos moldeados por inyección. Teniendo en cuenta la alta sensibilidad de las galgas extensométricas a los factores externos, el control remoto del sistema automático de perforación y adquisición de datos resulta extremadamente efectivo.

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Restan MTS3000