resistencia al impacto de materiales plásticos:¿quéacaingpba.org.ar/conferencia frontini.pdf ·...
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PATRICIA [email protected];[email protected]
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