resistencia al impacto de materiales plásticos:¿quéacaingpba.org.ar/conferencia frontini.pdf ·...

PATRICIA FRONTINIpmfronti@fi.mdp.edu.ar;pmfronti@gmail.com

Instituto de Investigaciones en

Ciencia y Tecnología de Materiales, (INTEMA)

FACULTAD DE INGENIERIA-

UNIVERSIDAD Nacional de Mar del Plata

(http://www3.fi.mdp.edu.ar/ingpolimeros/grupo.html)

J. B. Justo 4302 Mar del Plata ARG. (B7608FDQ)

Tel 54-223-481-6600 . int. 204.

- FAX 54-223-481-0046

"Resistencia al impacto de

Materiales Plásticos:¿Qué

ensayo elegir?”

Parte I

Importancia

Es el entorno más crítico en el que se

puede determinar la tenacidad.

Muchos polímeros en servicio sufren

situaciones de impacto (choques, caídas,

golpes accidentales)

Interés industrial en predecir la respuesta

en impacto para el diseño

Es el ensayo de control de calidad que

en general prefiere la industria

Por qué estudiar el

impacto de

polímeros?

Ensayo de Impacto

Ventaja:

Ensayo rápido

Desventaja:

La resistencia al impacto depende del método utilizado

Mide la capacidad de

una muestra o pieza

final para soportar

cargas repentinasDesde el punto de

vista operativo

FACTORES QUE AFECTAN LA

MEDICIÓN

Forma y geometría del impactador. Los objetos agudos tienden a concentrar

tensiones y aumentar la gravedad del impacto.

Espesor del producto de plástico moldeado. Las estructuras de paredes

finas son más frágiles que las pesadas secciones transversales; tienen menos volumen para

absorber y disipar la energía del impacto.

Geometría del producto de plástico y la zona afectada por el impacto puede

interactuar con otros factores que reducen la resistencia global del impacto.

La exposición al medio ambiente, creep, la temperatura, la exposición UV,

productos químicos, y otros factores pueden debilitar la resistencia al impacto.

Las variables del proceso de moldeo afectan la resistencia al impacto de

los productos de plástico induciendo orientación, tanto en cadenas molecular es como en el

tipo de refuerzos, flujo de polímero fundido, tensiones residuales, degradación,

cristalización, morfología, huecos internos, y líneas de soldadura.

Efectos de la velocidad de carga sobre la

deformación de los polímeros

• Obviamente , los problemas asociados con el

diseño bajo condiciones de impacto son

complejos , con la participación significativa

efectos debidos a la velocidad , la temperatura y

el estado tensional como consecuencia del

carácter visco-elástico-viscopástico de los

polímeros.

TIPOS PRINCIPALES DE

ENSAYOS DE IMPACTO

(1) Pendulum impact tests

Izod impact test

Charpy impact test

Tensile impact test

(2) Falling dart impact tests

Gardner impact test

Drop weight (tup) impact test

(3) Instrumented pendulum impact tests

Izod impact test

Charpy impact test

Tensile impact test

(4) Instrumented falling weight impact tests

vertical impact test

(5) Miscellaneous impact tests

Parámetros del ensayo

Temperatura

Velocidad del Impacto

Geometría del impactador

Configuración de prueba

TIPO DE MEDICIÓN

▪Analógicos

▪Pasa no Pasa

▪Instrumentados

(1) Pendulum impact tests

Izod impact test

Charpy impact test

Tensile impact test

▪Analógicos

Izod impact test

Charpy impact test

Flexión

ASTM E23, D256

Tracción Uniaxial

ASTM D1882, ISO 8256

(2) Falling weight impact tests

▪Pasa no PasaGardner impact test

Drop weight (tup) impact test

Probeta

Soporte250 mm

Soporte

Flexión biaxial

ASTM 3029,

ISO 6606Corte - ASTM D3029

Gardner standard

Compresión - ASTM

D3029 Gardner

Apoyado

Soporte

(5) Miscellaneous impact tests

Equipos de impacto instrumentado

0 1 2

0

450

Car

ga

tiempo

Trigger externoSeñal del

percusor

Percusor

instrumentadoFuente de luz

Fotomultiplicador

Principales componentes

de instrumentación

Equipos de impacto instrumentado

carga

probeta

apoyos

percusor

tiempo

sensores de carga percusor

probeta

apoyos

La señal fuerza-tiempo medida no es necesariamente

indicativa de la fuerza de flexión en la probeta

Tipos de equipos de impacto instrumentado

Falling weight

Pendulo

•Charpy

•Izod

•Tracción en impacto

•Discos

Comparación

Medida

tipo pasa

no-pasa

Correlación

Correlación entre tests de impacto

Tested materials

Material Matrix Reinforcement

SMC-R28 Poliester 28% glass fiber

SMC-R65 Vinil ester 65% glass fiber

RIM Poliuretano None

RRIM Poliuretano 20% escamas de vidrio

NYLON RIM Nylon/20% poliol 26% vidrio molido

ABS ABS None

PP PP None

Materiales de

aplicación en la

industria

automotriz

ResultadosMétodo Izod entallado Izod reverso

entalladoResist. Última en tracción

Gardner Anvil Energía total en flexión

E. total en dardo forzado

Izod entallado 1 0.47 0.49 -0.59 0.51 0.18

Izod reverso entallado

1 0.53 -0.89 0.63 0.69

Resist. Última en tracción

1 -0.64 0.75 -0.32

Gardner Anvil 1 -0.75 -0.12

Energía total en flexión

1 0.41

E. total en dardo forzado

1

Selección ?

La medición de la resistencia al impacto es una parte esencial de cualquier

programa de evaluación de materiales.

La mayoría de los métodos de ensayo son básicamente simple , pero la

interpretación de los resultados que emergen está lejos de ser sencilla , sobre

todo porque la resistencia al impacto no es una propiedad física , inherente,

sino más bien una combinación de varios.

La segunda es que los resultados de laboratorio a menudo se correlacionan

pobremente con el rendimiento del servicio .

En general los resultados de los diferentes test no correlacionan entre si.

Los ensayos con estados tensionales similares muestran mejor correlación.

La evaluación de los materiales y la selección de la prestación a impacto

debe hacerse con un test lo más similar posible a la aplicación tanto

desde el estado tensional como de las características que se miden.

Los tests tradicionales no conducen a mediciones

intrínsecas

Parte II Patricia María Frontini

Juan Pablo Torres

Misael Millan Alonzo

Motivación Rumbo a la comprensión profunda de las pruebas de impacto

Motivación

Los ensayos de impacto para evaluar

materiales▪ Control de calidad

▪ Comparativo

▪ Rankings de materiales

▪ Cualitativo

▪ No aptos para el diseño

predictivo y

cuantitativo

Charpy

Izod

Motivación

Diseño para la resistencia al impacto

▪ Actualmente: prueba y

error en prototipos reales

(muy costoso)

paragolpes de un Ford Edge casco para

motocicleta

▪ Alternativa: diseño y

predicción utilizando

simulaciones FEM

simulación FEM de la caida de un telefono

celular

Modelo constitutivo

Respuesta mecánica de

polímeros

▬ Respuesta inicial lineal elástica

▬ Dependencia con la temperatura

y la presión hidrostática

▬ Flujo viscoplástico no lineal

▬ Endurecimiento por orientación a

grandes deformaciones

Motivación

Determinación experimental

de la respuesta mecánica:

▪ deformación

inhomogénea

▪ condiciones dinámicas y

aumento de temperatura

Modelo constitutivo:

▪ elasto-viscoplástico

▪ dependencia con T, P y

velocidad de deformación

2 grandes desafíos para simular

la respuesta de polímeros

El ensayo de impacto

Falling weight

▪ Estado de tensiones

biaxial

▪ Aproxima el estado

tensional desarrollado en

partes de pared delgada

El ensayo de impacto

Falling weight

Estado de tensiones

biaxial

Inyección, extrusión,

soplado, rotomoldeo

Piezas de

pared

delgada!

HIPOTESIS‘’Es posible utilizar el ensayo FWI junto con la

simulación numérica, con el fin de validar modelos

constitutivos y criterios de falla, para que puedan ser

utilizados en el diseño de piezas poliméricas que

demanden resistencia al impacto”

FE

M𝜎 = E

𝜖

Modelo

ConstitutivoRespuesta mecánica de polímeros - Cinemática - Implementación

Modelo

constitutivo

propuesto

Representación reológica

unidimensional

Cinemática basada en:

▪ Gradiente de deformaciones F

▪ Tensor de tensiones de Cauchy

▪ Tensor velocidad de

deformación

Modelo

constitutivo

propuesto

ResultadosPolicarbonato - Polietileno (HDPE) - Polipropileno

Resultados:

PolicarbonatoPredicción de la deformación y la falla en impacto

Policarbonato

Experimentos

▪ Impacto falling weight

▪ Distintas configuraciones de

geometría y lubricación superficial:

▫ Diametro de disco

▫ Radio del impactor

▫ Espesor de disco

▫ Condición superficial

Policarbonato

Modelado computacional

▪ Análisis explícito dinámico (ABAQUS/Explicit)

▪ Acoplamiento térmico-mecánico

▪ 25000+ elementos (18 horas de cálculo)

▪ Contacto y control de distorsion

Policarbonato

Calibración modelo constitutivo

▪ Curvas de la

literatura

▪ Compresión

uniaxial, DMA, 𝜏vs T, 𝜏 vs 𝛾

Policarbonato

curvas fuerza-

tiempo

Buena

correspondencia entre

simulación y

experimento en todos

los casos estudiados

Policarbonato

Análisis tensión-deformación

▪ Campos de tensión hidrostática, deformación plástica y

temperatura

▪ Valores de invariantes en el momento de la falla

valor máximo

sin lubricación con lubricación

Policarbonato

Efecto de la temperatura

𝜖 -> hasta 700 s-1

Resultados: Policarbonato

Criterios de falla*

Frágil

Tensión hidrostática crítica

Falla por cavitación interna

(dilatación volumétrica)

Dúctil

Deformación plástica equivalente crítica

Falla por ductile tearing

*Gearing y Anand, “Notch-sensitive fracture of polycarbonate” y “On modeling the deformation and fracture response

of glassy polymers due to shear-yielding and crazing», International Journal of Solids and Structures”, 2004

Solo probetas con entalla (estado triaxial)!

Policarbonato

Predicción de la

falla

Falla frágil predice

falla prematura:

tensión hidrostática no

es siempre adecuada

Proponemos

incorporar una

condición adicional

sobre el nivel de

triaxialidad

Policarbonato

Predicción de la falla

𝜆p(Gearing)=1.192

𝜆p(Nosotros)=1.205

𝜆p

Policarbona

to

predicción

de la falla

Resultados:

Polietileno (HDPE) y

PolipropilenoPredicción de la deformación y la falla en impacto

HDPE y PP

Experimentos

▪ Tracción con DIC (hasta 10

m/s)

HDPE y PP

Experimentos

▪ Termografía infrarroja

▪ Temperatura vs tiempo

Polipropileno

tracción dinámica

Localización de la

deformación

Poco acuellamiento

Aumento de

temperatura

Polietileno

tracción dinámica

Buena

correspondencia entre

simulación y

experimento en todos

los casos estudiados

HDPE y PP

Calibración modelo constitutivo

▪ Curvas tensión-

deformación (DIC) +

temperatura

▪ Curvas fuerza-

deformación (método

inverso)

HDPE y PP

Modelado computacional tracción

▪ Análisis explícito dinámico

▪ Acoplamiento térmico-mecánico

▪ 5000+ elementos (condiciones de simetría)

▪ Defecto artificial para inducir acuellamiento

▪ ALE adaptive meshing

Polipropileno (PP)

tracción dinámica

Buena correspondencia

entre simulación y

experimento en todos

los casos estudiados

en todos los casos

estudiados

▪ Buena correspondencia entre

predicción y experimento

▪ PP en transición dúctil-frágil

Impacto de Polipropileno

Curvas fuerza-tiempo

frágil

dúctil

Polietileno (HDPE)

tracción dinámica

Buena correspondencia

entre simulación y

experimento en todos

los casos estudiados

en todos los casos

estudiados

Polietileno (HDPE)

Predicción de la

falla

¿valor de la deformación

en el momento de la

rotura?

Impacto de Polietileno

Curvas fuerza-tiempo

¿valor de la deformación

en el momento de la

rotura?

HDPE

Predicción de la falla

El criterio de falla predice

los aspectos fundamentales

de la rotura:

▪ iniciación en el centro

▪ propagación radial

▪ base deformada

plástica

También reproduce la

forma de la curva fuerza-

tiempo

MODELADO Y SIMULACIÓN DE LA

RESPUESTA MECÁNICA DE

POLÍMEROS EN EL ENSAYO DE

IMPACTO CHARPY

Objetivo

• Estudiar

experimentalmente

el efecto del

espesor sobre

piezas de PC

sometidas a

impacto bajo

geometría Charpy

• Evaluar por medio de un

modelo constitutivo y

análisis por elementos

finitos los campos de

tensión deformación que se

generan en el PC al

momento del impacto bajo

geometría Charpy.

Masa del impactor 23.7 Kg

Velocidad del impactor 2m/s

Temperatura ambiente 293 K

Montaje

Experimental

Simulación

FEM

X

Y

Z

Análisis de curvas de impacto y superficies de fractura probeta de 5mm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-200

-100

0

100

200

300

400

500

Tiempo (ms)

Fu

erz

a (

N)

E young = 749.7TauHat = 48.6m = 11.3ff = 0.380EpsHat = 0.160mu 8-chain = 39.18lambdal = 2.30includes Thermomechanical Coupling

Predicción por MEF

Resultado experimental

Análisis de curvas de impacto y superficies de fractura probeta de 6mm

0 1 2 3 4 5 6-400

-200

0

200

400

600

800

Tiempo (ms)

Fu

erz

a (

N)

E young = 749.7TauHat = 48.6m = 11.3ff = 0.380EpsHat = 0.160mu 8-chain = 39.18lambdal = 2.30includes Thermomechanical Coupling

Predicción por MEF

Resultado experimental

Entalla

Cambio de

plano

Marca

elíptica

0 2 4 6 8 10 12-1

0

1

2

3

4

5

6

Tiempo (ms)

Ene

rgía

(J)

Energía total absobida por la probeta de 6mm

Energía total absorbida por la probeta de 10mm

Energía total absorbida por la probeta de 5mm

Curvas de energía absorbida en función del tiempo para las diferentes

probetas durante las pruebas de resistencia al impacto.

Simulaciones

FEM

mostrando

distintos

niveles de

triaxialidad

Conclusiones

Conclusiones

finales

Aportes:

▪ Desarrollo de Modelo constitutivo válidos en condiciones de

impacto

▪ Simulación FEM exitosa de las pruebas experimentales

▪ Propuesta de Criterio de falla en condiciones multiaxiales de

carga

▪ Desarrollo de “toolbox” para laboratorio moderno

Creemos que el futuro es la

integración de herramientas de

software ...con elementos

experiementales modernos como

impacto instrumentado y DIC

Gracias

!!Preguntas