análisis comparativo de laminados de materiales compuestos...

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM19 AL 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A2a Materiales: Materiales compuestos

“Análisis comparativo de laminados de materiales compuestos para la aplicación de prótesis transtibial”

R E S U M E N

Este trabajo presenta un análisis comparativo de materiales compuestos de fibra de carbono con resinas epóxica y

poliéster, con la configuración de un laminado cuasi-isotrópico [0/+45/-45]s para ambos materiales, con el objetivo de

determinar cuál es el material que cumple con las propiedades requeridas para la aplicación de prótesis transtibial. Se

realizaron pruebas mecánicas de tensión en los materiales bajo la norma ASTM D3039. Los resultados obtenidos del

material de fibra de carbono y resina epóxica arrojaron un esfuerzo promedio de 269 MPa, mientras que el de fibra de

carbono y resina poliéster obtuvieron un esfuerzo promedio de 226 MPa. Se reportan las propiedades de los materiales

utilizados, los cuales proveen información de la resistencia del laminado para la aplicación estándar de una prótesis

transtibial. La oportunidad de materiales compuestos en la industria ortopédica requiere de estudios futuros para su

amplia aplicación en el sector.

Palabras Clave: Epóxica, Poliéster, Laminado, Isotrópico, Transtibial

A B S T R A C T

A comparative analysis of carbon fiber composites with epoxy and polyester resins, with a quasi-isotropic laminate

configuration [0/+45/-45]s for both materials, is presented in order to determine which is the material that meets the

mechanical properties required for the transtibial prosthesis application. Tensile tests were performed on materials

according to ASTM D3039. The results of carbon fiber and epoxy resin tests showed an average yield strength of 269

MPa, while the carbon fiber and polyester resin tests showed an average yield strength of 226 MPa. The material

properties, which provide information of the laminate strength for the standard application of a transtibial prosthesis, are

reported. The opportunity for composite materials in the orthopedic industry requires future studies for its wide application

in the field.

Keywords: Epoxy, Polyester, Laminate. Isotropic, Transtibial

1. Introducción

La implementación de los materiales compuestos en la industria ortopédica ha aumentado en la aplicación de prótesis trastibiales. Para la fabricación de nuevos elementos protésicos se debe de tomar en cuenta la selección de los materiales correctos a utilizar, ya que la industria ortopédica demanda requerimientos de bajo peso, resistencia a cargas

de tensión y compresión, flexibilidad, facilidad de manufactura [1], todo esto con el objetivo de proveer buena relación de peso-resistencia para lograr una óptima recuperación del paciente. Los materiales compuestos por fibras y matrices termoestables y termoplásticas permiten la obtención de propiedades mecánicas óptimas para aplicaciones de soporte estructural, teniendo como característica principal su baja densidad [2], y alta resistencia al peso.

Anabel Navaa, M. Siqueiros Hernandezb, Benjamin Gonzalec,Kristene Gomezd

aCiencias de la Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Baja California, Blvd Universitario 1000, Unidad Valle de Las Palmas, Tijuana,

C.P 22260, México. bCiencias de la Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Baja California, Blvd Universitario 1000, Unidad Valle de Las Palmas, Tijuana,

C.P 22260, México.

cCiencias de la Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Baja California, Blvd Universitario 1000, Unidad Valle de Las Palmas, Tijuana,

C.P 22260, México dCiencias de la Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Baja California, Blvd Universitario 1000, Unidad Valle de Las Palmas, Tijuana,

C.P 22260, México.

*Autor contacto.Dirección de correo electrónico:[email protected]

ISSN 2448-5551 MM 42 Derechos Reservados © 2018, SOMIM

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 AL 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

En la actualidad es necesario caracterizar materiales compuestos con el fin de aplicarlos a una fabricación completa de prótesis. En este estudio se hace énfasis en la utilización de dos tipos de matrices termoestables diferentes y el mismo refuerzo para ambos laminados de fibra de carbono y así para lograr una comparación de cargas de tracción estáticas y así conocer cual laminado es más óptimo para la fabricación de un prototipo de prótesis transtibial.

2. Materiales

La selección de materiales a utilizar en los laminados se hizo en base a las propiedades mecánicas que estos contienen. El refuerzo utilizado fue fibra de carbono 3k con una resistencia a la tracción de 4.20 GPa, ya que ofrece una de las relaciones más altas de resistencia/rigidez, así mismo se analizaron las dos matrices termoestables compatibles con la de fibra de carbono, las cuales son resina epóxica con resistencia a la tracción de 340 MPa y resina poliéster con una resistencia a tensión de 54 MPa, ambas con una densidad de 1.10-1.2g/cm3.

3. Métodos

Con el objetivo de elaborar los especímenes o muestras de de material compuesto que fueron sometidos a ensayos de tensión, se propuso un laminado simétrico balanceado cuasi-isotrópico [3] de seis laminas con la configuración [0/+45/-45]s. Los laminados de resina epóxica-fibra de carbón y resina poliéster-fibra de carbón fueron bajo el método de manufactura por vacío vaccum bag, tal como se muestra en la figura 1. Ambos laminados se impregnaron con el arreglo de mezclas especificadas por las fichas técnicas de proveedores (ver la tabla 1).

Tabla 1 – Arreglo de mezclas para matrices.

Resina Matriz Catalizador Temperatura

Epóxica 200 gr 20 gr 23ºC-25ºC Poliéster 200 gr 2 gr 23ºC-25ºC

Figure 1 – Método de manufactura por vacío vaccum bag.

El tiempo del curado para cada laminado de material compuesto fue de 72 horas con la temperatura mencionada.

Cinco especímenes de cada laminado fueron manufacturados bajo las especificaciones de la norma ASTM D3039 [4] para la aplicación de pruebas de tensión, tal como se muestra en las figuras 2 y 3.

Figure 2 – Probetas de fibra de carbono y resina epóxica.

Figure 3 – Probetas de fibra de carbono y resina poliéster.

4. Ensayos de Tensión

Para la realización de ensayos de tensión se utilizó la máquina universal de ensayos SHIMADZU AUTOGRAPGH, con celda de carga de 100 kN [5], la cual fue aplicada a una velocidad de 2mm/min tal como indica la norma ASTM D3039. Se aplicó la misma celda de carga y velocidad para ambos laminados de material compuesto.

Figure 4 – Prueba de tensión en espécimen de material compuesto.

El software utilizado para las pruebas de tensión cuenta con pretensión para corregir la precarga y ajustar la maquina a



cero por sí misma, este set up se realizó con cada uno de los especímenes de material compuesto.

5. Resultados

Los resultados de las pruebas de tensión aplicadas en los especímenes de material compuesto por fibra de carbono y resina epóxica se muestran en la figura 5, en dónde se presenta el comportamiento del material compuesto por medio de las curvas de esfuerzo-deformación. Como se puede observar, la probeta tres presenta superioridad, la cual tiene el punto de fluencia más alto alcanzado durante el ensayo de tensión, mismo que indica la cantidad de esfuerzos que el material puede soportar antes del punto de fractura.

5 – Curva de esfuerzo-deformación de probetas de fibra de carbono y

resina epóxica.

En la figura 6 se presentan las curvas de esfuerzo-deformación del material compuesto de fibra de carbono y resina poliéster. El esfuerzo máximo soportado en el análisis del muestreo se exhibe en la probeta 4. Las curvas de los ensayos de tensión muestran un comportamiento similar antes del punto de ruptura entre ambos materiales compuestos, esto es debido al proceso de manufactura aplicado y el refuerzo de fibra de carbono utilizado.

Figure 6– Curva de esfuerzo-deformación de especímenes de fibra de

carbono y poliéster.

El punto de fluencia es aquel que se encuentra entre la zona elástica y la zona plástica, en dónde el material absorbe energía, comportándose en base a la ley de Hooke para dar pie a la deformación plástica irreversible del material. Se promediaron los valores de los especímenes sometidos a las pruebas de tensión para así obtener una sola gráfica representativa de cada material compuesto, fibra de carbono- resina epóxica se presentan en la figura 7 y fibra de carbono-resina poliéster en la figura 8.

Figure 7–Curva promedio de esfuerzo-deformación de especímenes

de fibra de carbono y epóxica.

Figure 8–Curva promedio de esfuerzo-deformación de especímenes

de fibra de carbono y poliéster.

Cabe mencionar que la mordaza utilizada en las pruebas de tensión cuenta con una buena sujeción para los especímenes de material compuestos, por lo tanto, durante las pruebas de tensión no ocurrió desplazamiento en la zona de agarre. Se realizó un acercamiento en dónde se cruzan las pendientes trazadas en la gráfica de esfuerzo - deformación, aplicando el método de offset al 0.2% para ambos materiales compuestos. Se obtiene el punto de fluencia del material de fibra de carbono-resina epóxica, el cual presenta los valores de 67.05 MPa de esfuerzos y un porcentaje de deformación del 1.07% (ver figura 9), dando así inicio a la deformación plástica, en dónde el material no vuelve a recuperar su forma original.

020406080

100120140160180200220240

0.0%

0.2%

0.4%

0.6%

0.8%

1.0%

1.2%

1.4%

1.6%

1.8%

2.0%

2.2%

2.4%

2.6%

2.8%

3.0%

3.2%

3.4%

3.6%

Esf

uerzo

(M

Pa

)

Deformación (%)

Fibra de Carbono y Resina Epóxica

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0.0%

0.2%

0.4%

0.6%

0.8%

1.0%

1.2%

1.4%

1.6%

1.8%

2.0%

2.2%

2.4%

2.6%

2.8%

3.0%

3.2%

3.4%

3.6%

Esf

uerzo

(M

Pa

)

Deformación (%)

Fibra de Carbono y Resina Poliéster

Deformación (%)

Esf

uer

zo (

MP

a)

Carbono - Epóxica

Esf

uerz

o (

MP

a)

Carbono - Poliéster

Deformación (%)



Figure 9– Acercamiento del Punto de fluencia en gráfica Esfuerzo-

Deformación de laminado de fibra de carbono y resina epóxica. Respecto a la gráfica de esfuerzo-deformación del material compuesto por fibra de carbono y resina poliéster que se muestra en la figura 10, los valores para el punto de candencia del material son de 58.73 MPa para los esfuerzos sometidos en el ensayo de tracción con respecto a una deformación del 1.11%.

Figure 10– Acercamiento del Punto de fluencia en gráfica Esfuerzo-

Deformación de laminado de fibra de carbono y resina poliéster. Las propiedades mecánicas obtenidas por los ensayos de tensión se muestran en la tabla 2, en dónde se comparan ambos laminados respecto al esfuerzo máximo, módulo de elasticidad y porcentaje de elongación.

Tabla 2 – Resultados promedios de propiedades mecánicas.

Propiedades

mecánicas

Fibra de

carbono

y resina

epóxica

Fibra de

carbono y

resina

poliéster

Porcentaje

de diferencia

σ máx. 269 MPa 226 MPa 15.99%

E 7.8 GPa 6.63 GPa 15.54% ε máx. 3.45 % 3.45% 0%

σ Fluencia 67.05 MPa 58.73 MPa 12.25%

ε Fluencia 1.07% 1.11% 3.6%

Ambos materiales cuentan con el mismo refuerzo de fibra de carbono 3k y la misma configuración de laminado [0/±45]s; los especímenes presentaron el mismo efecto de

ruptura a un ángulo de 45°, por ello en la figura 11 se exhibe el mismo efecto de deformación de ambos materiales compuestos. En efecto a lo mencionado, el resultado de esta propiedad mecánica se le atribuye a la presencian y configuración utilizada de fibra de carbono, ya que sin duda este material es que soporta las cargas aplicadas durante los ensayos de tracción.

Figure 11– Delaminación de probetas A) Fibra de carbono-resina

epóxica y B) Fibra de carbono-resina poliéster.

El laminado de fibra de carbono y resina epóxica mostró un incremento en los esfuerzos máximos a tensión y en el módulo de elasticidad de alrededor del 15.5%, en comparación con el material de fibra de carbono y resina poliéster. El porcentaje de elongación máxima no presenta variación entre ambos laminados, esto se debe a la alta resistencia de la fibra de carbono utilizada como refuerzo en los materiales compuestos manufacturados, ya que este material no se deforma demasiado bajo ensayos de tensión. Sin embargo, el comportamiento del refuerzo de fibra de carbono se destaca en los valores obtenidos de las pruebas. En otras palabras, la fibra de carbono es la que mejora las matrices poliméricas, creando materiales compuestos con propiedades aceptables para diferentes aplicaciones futuras en la industria.

6. Discusión

Los composites analizados se comportaron de manera similar por haber empleado en ambos el mismo refuerzo de fibra de carbono; de esta manera el porcentaje de diferencia entre cada uno de ellos se debe a la matriz utilizada. A pesar de que la resina epóxica cuenta con módulo de tracción más alto que el de la resina poliéster, no varían mucho los resultados ya que la fibra de carbono soporta las cargas aplicadas debido a la orientación de laminado y el proceso de manufactura; por lo tanto, ambas resinas pueden ser utilizadas para la utilización del material compuesto en una prótesis transtibial, de acuerdo con las necesidades del paciente.



De acuerdo con la investigación de Sam L. Phillips (2005), la utilización de fibra de carbono en laminados protésicos es la más factible a emplear. Al comparar los resultados de esfuerzos máximos del autor antes mencionado de 249 MPa y los obtenidos en esta investigación de 269 MPa, podemos observar un aumento del 8% en carbono-epóxica y 226 MPa disminuyendo un 9.3% en carbono-poliéster. Por otra parte, el laminado propuesto para esta investigación es factible para la aplicación de la investigación citada, ya que al ser comparado con laminados [±45°] muestra un incremento en las propiedades mecánicas al incorporar láminas de 0° para crear un laminado simétrico balanceado en donde sus propiedades se comportan cuasi-isotrópicas [6]. De manera que conocer la orientación de fibras y la aplicación apropiada de matrices incrementa la eficiencia de los materiales compuestos, lo cuales pueden lograr una infinidad de aplicaciones en la industria ortopédica.

7. Conclusiones

Conocer los materiales compuestos a utilizar en una aplicación requerida es muy importante, en el caso de la implementación para prótesis de miembro inferior es necesario conocer las principales propiedades mecánicas referente a esfuerzos y deformaciones del material. En la aplicación de materiales compuestos se sabe que la fibra de carbono es uno de los refuerzos más empleados en la industria ortopédica por su fuerza, rigidez y excelente relación de resistencia-peso.

Cabe señalar que, con los resultados obtenidos, esta investigación no queda aquí, ya que se continúan realizando estudios como parte de trabajos futuros en la en la manufactura de un primer prototipo para implementar el laminado analizado y probar dicha pieza de acuerdo con la normativa de miembros protésicos y ser sometida a pruebas estáticas, para así poder verificar, estudiar, analizar y comparar resultados con prótesis que se encuentran en el mercado.

Agradecimientos

A la Escuela de Ciencias de la Ingeniería y Tecnología de la Universidad Autónoma de Baja California, por permitirnos utilizar sus instalaciones y equipo empleado para la realización de este estudio.

REFERENCIAS

[1] Dale A. Berry. C.P, Composite Materials for Orthotics and Prosthetics, Journal of Prosthetics and Orthotics, 40 (1987) (pp. 35-43)

[2] J.M.Martinez, C. Rubio-Gonzalez, Redistribución de esfuerzos ante carga cíclica de compuestos laminado fibra de vidrio/resina epóxica con concentrado de esfuerzo circular, MEMORIAS DEL XXII CONGRESO DE LA SOMIM , 22 (2016) (pp. 253-254).

[3] Sam L. Phillips, CP, William Crealius, PhD, Material Properties of Select Prosthetic Laminates, Journal of Prosthetics and Orthotics, 17 (2005) (pp. 1-27).

[4] ASTM D3039, Standard Test Method for Tensile

Properties of Polymer Matrix Composite Materials., ASTM International, (2014).

[5] M. Siqueiros, A. Nava, Y. Vega, B. Gonzalez

"Comparative analysis of manufacturing process for

test specimens orientation [0, ±45]s of carbon fiber 3k

and polyester resin.", Mexican Journal of Materials Science and Engineering, 3(2016) (pp. 42-48) .

[6] M.-S. Scholz, J.P Blanchfield, "The use of composite

material in modern orthopaedic medicine and

prosthetic decies: A reciew.", Composites Science and Technology, 71(2011) (pp. 1791-1803) .


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