Revista Polo del Conocimiento


Polo del Conocimiento

 

Estudio de biocompuestos con refuerzo de fibra de pseudotallo/platano para creacin de partes automotrices: Revisin

 

Estudio de biocompuestos con refuerzo de fibra de pseudotallo/platano para creacin de partes automotrices: Revisin

 

Estudo de Biocompsitos com Reforo de Pseudocaule / Fibra de Banana para Criao de Peas Automotivas: Reviso

 

 

Dario Borja-Soto I

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-0044-8812

 

Abel Remache-Coyago II

[email protected]

https://orcid.org/0000-0001-6863-4104

 

Correspondencia: [email protected]

Ciencias tcnicas y aplicadas.

Artculo de investigacin

 

*Recibido: 10 de abril de 2021 *Aceptado: 03 de mayo de 2021 * Publicado: 01 de junio de 2021

 

                               I.            Ingeniero Automotriz, Universidad Central del Ecuador, Postgrado Facultad de Ingeniera y Ciencias Aplicadas, Quito, Ecuador.

                            II.            Magister en Gerencia y Liderazgo Educacional, Master Universitario en Energas Renovables y Sostenibilidad Energtica, Ingeniero Automotriz, Universidad Central del Ecuador, Postgrado Facultad de Ingeniera y Ciencias Aplicadas, Quito, Ecuador.


Resumen

La bsqueda de nuevas alternativas en la elaboracin de autopartes es de gran tendencia para la conservacin de recursos naturales en el cambio de materia prima de un no renovable a un biodegradable. El pseudotallo de pltano es un material con gran potencial por sus propiedades y abundancia de materia prima en el Ecuador y el mundo, siendo esta una alternativa vlida para el reemplazo del plstico ABS de alto impacto usado para la manufactura de elementos externos del automvil. El bocel automotriz es el elemento base para ser reemplazado por su facilidad de fabricacin y gran cantidad de faltantes en el stock de postventa considerado una autoparte de baja rotacin comercial. El material idneo fue seleccionado mediante un anlisis comparativo en ms de 30 polmeros tomado de varias investigaciones. Mediante simulacin computacional se realiz una caracterizacin, donde fue relevante la combinacin de la fibra de banana/polister de 30 mm longitud, se obtuvo el mejor resultado con 50% de compuesto, con caractersticas mecnicas similares al ABS y una variacin del 4%, una resistencia a la traccin de 48 MPa, elongacin de 7% y Mdulo de Young de 1,53.

Palabras claves: Pseudotallo de pltano; bocel automotriz; propiedades mecnicas; ABS alto impacto; simulacin computacional.

 

Abstract

The search for new alternatives in the production of automotive parts is a great contribution for the conservation of natural resources by interchanging raw material from a non-renewable to a biodegradable one. The banana pseudostem is a material with great potential due to its properties and abundance as a raw material in the whole world, particularly in Ecuador which make it becoming a valid alternative for the replacement for the high impact ABS plastic used for the manufacture of external elements of the car. The automotive bocel is the main element to be replaced since it is simple to manufacture and it is one of the most demanded parts in stock considered a low-turnover auto part. The suitable material was selected through a comparative analysis of more than 30 polymers taken from numerous research where a characterization was carried out through computational simulation. It demonstrated that the combination of the 30 mm length banana/polyester fiber was relevant concluding that the best result was obtained with 50 percent of the compound which had mechanical characteristics similar to ABS plastic with a 4 percent variation, a 48 MPa tensile strength, a 7 percent elongation and a 1.53 Young's modulus.

Keywords: Banana pseudostem; automotive bocel; mechanical properties; high impact ABS; computational simulation.

 

Resumo

A busca por novas alternativas na fabricao de autopeas uma grande tendncia para a conservao dos recursos naturais na mudana da matria-prima de uma no renovvel para uma biodegradvel. O pseudocaule de banana um material com grande potencial devido s suas propriedades e abundncia de matria-prima no Equador e no mundo, sendo esta uma alternativa vlida para a substituio do plstico ABS de alto impacto utilizado na fabricao de elementos externos do carro. A pea automotiva o elemento base a ser substitudo devido sua facilidade de fabricao e grande quantidade de peas em falta no estoque ps-venda, considerada uma pea de automvel de baixo giro. O material ideal foi selecionado por meio de uma anlise comparativa em mais de 30 polmeros retirados de vrias investigaes. Por meio de simulao computacional, foi realizada uma caracterizao, onde a combinao da fibra de banana / polister de 30 mm de comprimento foi relevante, o melhor resultado foi obtido com 50% do composto, com caractersticas mecnicas semelhantes ao ABS e uma variao de 4% , uma resistncia trao de 48 MPa, alongamento de 7% e mdulo de Young de 1,53.

Palavras-chave: Banana pseudostem; bocel automotivo; propriedades mecnicas; ABS de alto impacto; simulao computacional.

 

Introduccin

En la actualidad del mundo automotriz la bsqueda de nuevas alternativas para la elaboracin de autopartes es un punto primordial de estudio para las empresas automotrices, ya que la tendencia es la conservacin de los recursos naturales del planeta, por lo que el cambio de la materia prima a una natural alternativa renovable y biodegradable es una necesidad (Freier et al., 2005), el cambio de la materia prima dependiente de recursos no renovables a una biodegradable y renovable ayuda al cuidado del ecosistema (Murali Mohan Rao et al., 2010). La fabricacin de autopartes automotrices con su materia prima tradicional est obsoleta, y a su vez genera daos al medio ambiente, por lo cual se han realizado varios estudios buscando alternativas en el proceso de manufactura, usando fibras de semilla como algodn, fibra de coco, paja de trigo, bagazo y hasta bambu(Murali Mohan Rao et al., 2010).

Se debe tener en cuenta que cualquier material natural o artificial puede ser capaz de ser definido como fibra, las fibras naturales son las que proceden de animales o plantas, los investigadores se enfocan en la bsqueda de los NFC (compuestos de fibras naturales) (Kenned et al., 2020), los beneficios que poseen mencionados NFC es buena a comparacin de los compuestos comerciales, siendo una mejora en la resistencia elctrica, aislamiento acstico, entre otra (Ilyas et al., 2019), las caractersticas mejoran en el procesamiento de los NFC en comparacin con compuestos sintticos (Kargarzadeh et al., 2018), siendo as que varias fibras nuevas ya son exploradas por investigadores, convirtindose en prioridad de estudio (Pothan et al., 1997) y son un refuerzo potencial las fibras de palma, coco, pltano, sisal y pia (Peas et al., 2018) , una fibra que tiene gran crecimiento es la de banano o pltano (Joseph et al., 2002)(Sapuan et al., 2006).

El optar por la fabricacin autopartes a partir de fibras naturales no ha sido algo descabellado ya que mltiples empresas tales como Audi, Opel, Chrysler, Fiat, Ford, Mercedes Benz Peugeot, Renault, Volvo, Volkswagen y BMW ,(Bismarck et al., 2006) lo han venido realizando, en el campo automotriz, al realizarlas con materiales biodegradables, los cuales tienden a mejorar en su costo y densidad a comparacin de los tradicionales (Witayakran et al., 2017), los mismos son usados en tapiceras de puertas, respaldo de asientos, techos, corredoras de techos corredizos (Ellison et al., 2000). Adicional que las empresas automotrices se preocupan en la actualidad por la reciclabilidad de los vehculos, para as proteger al medio ambiente (Stark & Rowlands, 2003),

El psuedotallo del pltano es una fibra muy til como materia prima, su produccin es favorable en los pases de China, Indonesia, Brasil y Ecuador (Syriac et al., 2017), segn la Organizacin de Agricultura y Alimentacin de Naciones Unidad ms de 140 pases en el mundo produjeron alrededor de 150 millones de toneladas de pltano, de esta forma se convierte en el cuarto cultivo ms importante en los pases en desarrollo (Gebregergs et al., 2016), pero un punto importante para la industria ecuatoriana en el ao 2012 represent un 45.34% del valor FOB (Valor mercanca puesta a bordo transporte martimo) exportado y el 87.14% de las toneladas de exportacin, (Las et al., n.d.)

El presente estudio propone realizar el anlisis acerca del NFC con su base en la fibra del pseudotallo de pltano para ser empleado en autopartes automotrices, con el objetivo de obtener un reemplazo adecuado del plstico tradicional en molduras de puertas de modelos de vehculos comercializados en el Ecuador, de esta manera tener el mejor compuesto, y el cual aportar al cuidado del medio ambiente, as tambin fortalecer la matriz productiva, enfocado en la revolucin del conocimiento para el cambio de la misma (SENPLADES, 2009), adicional cumpliendo tres objetivos planteado en el Plan Nacional del Buen Vivir en el estado de Ecuador, siendo Objetivos 7, 8 y 10, los cuales manifiestan garantizar los derechos de la naturaleza promoviendo la sostenibilidad ambiental territorial y global; garantizar el sistema econmico social y solidario de forma sostenible.

 

Desarrollo

El desarrollo de la investigacin se bas en el estudio bibliogrfico de las investigaciones de biocompuestos ya explorados, que son enfocados como refuerzos en elementos de uso comn usando una metodologa deductiva para la descripcin de su proceso y caracterizacin, mediante una metodologa comparativa se selecciona el material que por sus caractersticas se adapte de mejor manera en la autoparte y de esta manera sea una alternativa distinta a la materia prima comn, con el material seleccionado se usa una metodologa experimental simulando computacionalmente los dos materiales a mltiples acciones y obtener el comportamiento de cada uno, para finalmente con la informacin adquirida se llega a la conclusin del material idneo a ser considerado como materia prima para los boceles automotrices.

El uso de las fibras naturales tienen gran trascendencia en la historia, es as que el estudio y aplicabilidad de cada una de ellas ha sido un tema de suma importancia para grandes investigadores con el fin de aportar al cuidado del ecosistema usando materia que en ciertos casos se desperdicia o simplemente no se usa, la areca, bonote, yute, lino, camo, coco, pltano sisal y pia (Binoj et al., 2017; Pothan et al., 1997), son alternativas vlidas para la fabricacin de compuestos, he aqu el punto de partida del anlisis de la fibra de pltano o banano que se destaca ampliamente (Joseph et al., 2002; Sapuan et al., 2006) en esta fibra de gran abundancia se concentra la investigacin, el estudio de sus distintas caractersticas, procedimientos de obtencin y tratamiento, tomando en cuenta que las aplicaciones son mltiples y el material debe comportarse de manera distinta para cada caso, ya que es muy distinto un tablero aglomerado a una autoparte automotriz, por lo que se enfoc en las caractersticas mecnicas de los biocompuestos que se obtiene de cada investigacin.

Por otra parte la industria automotriz se enfoca en el mejoramiento de la reciclabilidad de los vehculos, segn la comisin Europea el 85% del peso de un vehculo tiene que ser reciclable, el mismo que est en acenso, en la dcada actual los vehculos deben ser construidos con el 95% de materiales reciclables, con un 85% de recuperacin con reciclaje y 10% mediante recuperacin con energa o trmico (Chen et al., 2005), el uso de fibras en paneles de puertas por parte de mltiples marcas como Mercedes Benz en sus vehculos clase E; Chrysler, Volkswagen, Audi entre otros se unen a la causa, en beneficio del uso de los materiales en base de fibra tiene la prdida del 10 al 30% de peso, todo esto en componentes como tablero de instrumentos y adornos de interiores. Tambin la fibra tiene una aplicacin de produccin en el campo textil, lo cuales son favorables y pueden ser aplicados en el campo automotriz (Han & goleman, daniel; boyatzis, Richard; Mckee, 2019).

La seleccin del material base es importante ya que existen varios tipos de pltanos en el mundo en los que se detallan: Gros Michel con su altura de 3.3 a 3.5 metros con sus extremos achatados, Cavendish Enana, Gros Michel, Lacatn, Poyo, Currar, Hawaian Style (MORALES LISSETTE, 2018) el famoso Maqueo, Baby Banana, Domnico, y otras hbridas como Zelig, Brier, Gruesa, Balangn.; se destaca de cada uno su morfologa la que es igual con rasgos caracterstico en cada tipo, por lo cual la figura 1 detalla la ubicacin del pseudotallo que est en la parte del tallo o tronco de la planta, esta es la parte principal de la obtencin de la materia prima (Delgado Loor, 2019).

En la cosecha que se obtiene del pltano solo se aprovecha del 20 al 30% de su biomasa (Aranzazu Hernndez et al., 2005), y su 70 y 80 % no se utiliza, he aqu la materia prima abundante que se puede usar, con gran aporte a la elaboracin artculos de mltiples usos en distintos campos, para la revisin se enfoca en el automotriz (Aguirre Cruz et al., 2007; Mazzeo Meneses, 2010)

La fibra tiene una composicin qumica de celulosa hemicelulosa y lignina, su extraccin con su procedimiento adecuado es el corte de vstagos, quitar las vainas del vstago, secar en el sol separadas entre s, secado en horno en el caso que lo permita (Vasquez, 2019). En un rea de 4046.85 metros cuadrados se pueden generar de 1000 a 1500 pseudotallo y para la produccin de 1 a 2 kg de fibra se necesitan de 10 a 13 tallos (Basak et al., 2015).

La parte de la planta de mayor estudio es el pseudotallo la que tiene una estructura de cacetas apretadas y en espiral, su estructura es carnosa y gran parte de agua como se observa en la figura 1, es una fuente de biomasa lignocelulsica residuales (James, 2009), las fibras que se obtienen parte de la clasificacin vegetal(celulosa) de tallos; las propiedades de mencionada fibra se caracteriza en la parte trmica con su curvatura con el tratado al vapor, de color habano, resistente a la traccin torsin y tensin sin afectaciones al agua, con decoloracin por efectos del sol (Tinajero Andrs, 2018).


Figura 1: Morfologa del tallo del pltano

Fuente: (Delgado Loor, 2019)

 

La composicin de la fibra es celulosa de un 60 a un 65%, lignina de 5 a 19% y hemicelulosa de 6 al 19% como se muestra en la figura 2 (Lady Joana, 2013), teniendo los valores mecnicos de su fibra en tensin F/A 384 a 800N/mm^2, Modulo de Young 20-34 N/mm^2 y deformacin convencional de 2 a 6% (Besednjak Dietrich, 2005).


Figura 2: Composicin fibra pseudotallo del pltano

Fuente: (Kabir et al., 2011)

 

En primer paso es la extraccin de la fibra la cual es comn en todas las investigaciones, y se realiza de manera manual, las fibras obtenidas se enfoca en 4 tipos bsicos, fibra tipo pelo muy fina con mayor tiempo de extraccin, fibra suave se extrae de la segunda capa de pseudotallo, fibra dura se extrae de la cuarta capa del pseudotallo la con mayor usabilidad (Arteaga Alcivar, 2015),

La orientacin de las fibras cumplen un factor importante en trminos generales una mayor comprensin de 0 a comparacin de 90 y bidireccional, usando fibra de bamb con sisal lleg hasta 149.1Mpa como su resistencia mxima las que fueron usadas en carroceras de automviles (Getu et al., 2020). El laminado de fibras tiene a perjuicio de disminuir su modulo elstico, el cual disminuye de 85 MPa con una capa a descender a 12 MPa con 4 capas pero su resistencia aumenta (Baharin et al., 2016).

Se debe tener cuenta caractersticas que tiene la resina con la que se debe trabajar su resistencia a la resina epxica con su resistencia de tensin de 35 a 100 MPa, resistencia a la comprensin 100 a 200 MPa con una densidad de 1.1 a 1.4 gr/cm^3 (Mohanty et al., 2005), a comparacin de la resina epxica tiene altas propiedades mecnicas y trmicas. Con los pasos iniciales de procesos adecuados, los cuales fueron seleccionados de la investigacin recolectada, se continua con la descripcin de los materiales con sus distintos valores mecnicos, uno de ellos es la fabricacin de material tipo aglomerado con resina al 15 y 35% una presin de comprensin de 50 a 100 kg/cm^2 en su prensado, con un proceso de secado al horno trozar y deshidratar a 60C, material molido, tamizada de 2 mm (Linda Maldonado et al., 2013). El producto final obtuvo del 16.28% de fibra, 9.53% de densidad aparente, y un PH de 5,24 y 30.1% de concentracin de celulosa (Lina Maldonado et al., 2013), un resultado MOE 4800 N/mm^2 y MOR 36.3911 N/mm^2, acoplndose a la Norma Venezolana COVENIO No. 847-91 para aglomerado patentado en Instituto de la Propiedad Intelectual (Linda & Astudillo Richard, n.d.).

Un material atractivo es el cuero a partir de la fibra de pseudotallo, el cual se obtiene de fibras secas procesadas, la materia prima pasa por un proceso de decorticada donde se tiene el hilo fibra suave, malla y fibra dura, secado al horno y deshidratada pasa por un encerado y desgomado a 100C, descrude qumico con lissapo 2 gr/lt, sosa caustica 8 a 10 gr/lt ebullicin de 92C durante 3-4 horas, blanqueo con direnol 257 leucofor agua oxigenada sosa cautica por 40min, Suavizado en glicerina, manufacturadas a la mquina YP-S1600 de malla no tejida, malladas como pliegues de apariencia de tipo algodn, con una tcnica de punzonado usando agujas, su resistencia en la maquina especializada GT-C11 cual cumple con su protocolo (Alejandra et al., 2020).

La adaptacin y complemento de la fibra es una alternativa por lo cual tiene celulosa 73.5%, lignina 12.99% entre otras, descrude de la fibra con agua caliente con solucin salina y hervir a 45 min, secado al aire libre, teniendo caractersticas flexible, adeherente, maleable, fcil manejo, con resina y catalizador al 5%, adicional con fibra de vidrio el que sirve para el reemplazo de plstico, resultados de maleabilidad, adicional otra prueba con la adicin de 20% de vidrio lquido, tambin con silicona lquida al 12%, el que concluye que el resultado para usar en automotriz la alternativa de fibra de pltano y vidrio es lo mejor (Torres, 2013).

En otra investigacin la preparacin va de cepillado y secado con una humedad no superior de 12+-2%, almacenada a 20C, con reactivos de epiclorhidrina (EP), anhidrido actico(AA) disueltos en acetona, 1:10 de AA y EP entre si 1:1, secado en horno a 105C por 24h (Lady Joana, 2013). La fibra de pltano en 14.9 % tiene una resistencia a la traccin de 30.17 MPa su elongacin de 3.82%, Modulo de Young de 1.23.

La fibra de banana/polipropileno con NaOH (10%) obtuvo una resistencia a la traccin de 40 MPa, elongacin de 3.4% y 1.66 Mdulo de Young (Paul et al., 2010), el compuesto posee una densidad de 1.350 gr/cm^3(Raharjo et al., 2018). Un estudio adicional la fibra del pseudotallo de banano con la fibra de vidrio en composicin de 23.2% de fibra posee generando una resistencia a la traccin de 95.41 Mpa, elongacin 5.50%, 1.94 Mdulo Young.

La produccin de un compuesto con la configuracin de tejido diagonal, un curado de 24 a 48 horas en temperatura ambiente, uso de resina poliester insaturada SINTAPOL 437, estireno, octoato de cobalto, perxido de metil-etil MEKP, el proceso se detalla en (Vasquez, 2019) pg. 26, el mejor resultado lo obtuvo la probeta con 10% de fibra tratada orientada longitudinal con resultados en traccin de 35.73 MPa con un mdulo de elasticidad 1304.84 MPa, mientras que a la flexin su esfuerzo mximo 50.56 MPa mdulo de elasticidad 3675.47 MPa.

En el estudio de la universidad de Kassel se puede aplicar las fibras tratadas en aplicaciones en la industria del automvil y del embalaje, las caractersticas lo detalla (Mamun et al., 2015), mostrando caractersticas excelentes con una longitud de fibra de 20cm, dimetro de 250mm, resistencia a la traccin de 98 MPa, mdulo de elasticidad de 20 GPa, tenacidad de 75 MPa, ngulo microfibrilar 29; la desventaja de absorcin de humedad del 11% a 23C, sus aplicaciones son destinadas a aplicaciones de ensamble automotriz. La combinacin de la fibra de banana/poliester de 30mm longitud, obtiene el mejor resultado en la investigacin con 50% de compuesto, con una resistencia a la traccin de 48Mpa, elongacin de 7% y 1.53 Mdulo de Young (Sreekumar et al., 2008).

En investigaciones de similar estructura procedimental se logra obtener los datos caractersticos de biocompuestos obtenidos con el detalle de los valores de sus propiedades, cuyos resultados son los demostrados en la tabla 1.

 

Tabla 1: Biocompuestos de pseudotallo de pltano, caractersticas

Matriz

Refuerzo

Fraccin en peso

Esfuerzo Mximo a la traccin Mpa

Esfuerzo mximo a flexin Mpa

Referencia

Poliester

Banano continua longitudinal

10%

35.73

50.56

(Cunalata Snchez & Jimnez Abarca, 2019)

Poliester

Banano tejido orientado a 30

20%

17.87

49.8

(Cunalata Snchez & Jimnez Abarca, 2019)

Poliester

Banano tratada corta al azar 3mm

10%

18.41

38.15

(Cunalata Snchez & Jimnez Abarca, 2019)

Poliester

Banano corta al azar

10%

12.84

25

(Farinango Morales & Moya Segovia, 2019)

Poliester

Banano corta al azar

20%

15.4

31.67

(Farinango Morales & Moya Segovia, 2019)

Poliester

Banano corta al azar

25%

43.5

92

(Chand & Fahim, 2020)

Poliester

Banano corta al azar

40%

74

80

(Farinango Morales & Moya Segovia, 2019)

Resina epoxi

Banano corta al azar de 30mm

45%

24.7

45.36

(Sathish et al., 2015)

Resina epoxi

Banano corta al azar de 30mm

40%

45.57

73.58

(Maleque et al., 2007)

Polipropileno

Banano tejida sarga

30%

33.27

43.76

(Amir et al., 2017)

Polipropileno

Banano continua longitudinal

30%

66.26

33.72

(Amir et al., 2017)

Fuente: Autor

 

El material a suplantar es el plstico en el ensamblaje de automviles, un material elemental para su constitucin de esa manera, los plsticos han sido y son una de las fuentes indispensables de materia prima para elementos automotrices como los boceles de proteccin de las puertas de automviles, pero el plstico es responsable del 10% del total de residuos degenerados y comprende del 60 al 90% de la basura marina, cada ao se vierten 8Mt de plsticos en los ocanos (Schyns & Shaver, 2021).

El bocel automotriz que se aprecia en la figura 3 seccin b, se toma como referencia, ya que en el mercado ecuatoriano se tiene muchos faltantes, esto se obtuvo a partir de entrevistas de jefes de reas de colisiones de la ciudad de Quito-Ecuador, en general manifestaron que es un gran inconveniente la reposicin del mismo por falta de stock en las distintas distribuidoras, en general toca esperar a importacin mencionados elementos, adicional este elemento de reposicin automotriz posee una estructura fcil para generar una matriz de fabricacin, por lo que la generacin con la alternativa de biocompuesto con fibra de pseudotallo de pltano es la alternativa adecuada por todo lo anterior mencionado.

Los valores a los cuales se somete el bocel es la prueba FMVSS 214, la cual mide la reaccin de la puerta lateral de un vehculo con el golpe de un cilindro de 12 pulgadas de dimetro; las cargas resistivas, tienen un valor promedio de al menos 10kN, la carga mxima debe ser 31.14kN, estos valores son para las pruebas de simulacin, tomando en cuenta la resistencia a la puerta total en fallas drsticas segn (Brooks et al., 2017).


Figura 3: (a)Descripcin de prueba FMVSS 214 en puerta automotriz (b) Bocel automotriz

Fuente: (Stark & Rowlands, 2003)

 

Todos estas pruebas deben ser comparadas con los valores de los elementos usados en el campo automotriz para que, a partir de este punto seleccionar la alternativa adecuada, siendo ABS de alto impacto utilizado en el mbito de parachoques de manera general, que es el mismo compuesto que el bocel, el cual cuenta con una densidad de 1.02 a 1.04 (gr/cm^3), una traccin mxima de 24 a 45 MPa mdulo elstico 1.38 a 2.42 GPa, resistencia al impacto 164 a 436 (J/m) (Borreguero et al., 2011).

Con los dos materiales a ser analizados se procede con la parte experimental de simular al bocel automotriz con el plstico ABS y el pseudotallo seleccionado, se parte con el polmero ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) de alto impacto con el bocel lateral de una parte se obtuvo los siguientes anlisis como son la deformacin total y el factor de seguridad de cada uno, tomando en cuenta las propiedades fsicas de cada una y creando el material en el software de anlisis de elementos finitos, con el fin de obtener un criterio especifico a la hora de seleccionar o reemplazar un material con otro. Las cargas de 5, 51 y 10000 N, en el bocel con su respectivo material.

Al simular esta autoparte se obtuvo el anlisis del peso de cada uno mostrado en la tabla 2, donde el polmero tiene menos masa a comparacin de la fibra natural.

 

Tabla 2: Masa de simulacin de bocel automotriz con material ABS y pseudotallo de pltano

Masa Bocel (kg)

Masa Bocel (kg)

ABS

0,44

FIBRA DE PLATANO

0,57

Fuente: Autor

 

El anlisis para el diseo se tom como referencia los puntos fijo laterales del bocel representados de color azul, aplicando la carga sobre el cuerpo de color rojo como se aprecia en la figura 4.


Figura 4: Punto de apoyo en Bocel, simulacin computacional

Fuente: (Stark & Rowlands, 2003)

 

El anlisis para el polmero ABS y fibra de pltano, con una carga de 5 N que representa un pequeo impacto por descuido se describe en la tabla 3, donde la deformacin es ms evidente en la fibra de pltano con 0.64 mm, mientras que el polmero tiene 0.41 mm al sufrir un impacto o aplicacin de la carga antes mencionada, en el factor de seguridad los dos materiales tienen un factor de seguridad de 15 donde no existe mayor variacin.

 

Tabla 3: Simulacin ABS, Fibra de pltano con carga de 5N

ABS

FIBRA DE PLATANO

DEFORMACION

MAX: 0,41 mm

DEFORMACION

MAX: 0,64 mm

MIN: 0 mm

MIN: 0 mm



FACTOR DE SEGURIDAD

15

FACTOR DE SEGURIDAD

15



Fuente: Autor

 

El anlisis para el polmero ABS y fibra de pltano, con una carga de 51 N que representa un impacto fuerte de un golpe dado por otra puerta al abrirla se aprecia en la tabla 4, donde la deformacin es ms evidente en la fibra de pltano con 6.53 mm, mientras que el polmero tiene 4,13 mm al sufrir un impacto o aplicacin de la carga antes mencionada, en el factor de seguridad del polmero es de 11.04 y la de la fibra natural es de 11.78, lo que indica una mayor fiabilidad en el impacto aplicado al utilizar la fibra natural.

 

Tabla 4: Simulacin ABS, Fibra de pltano con carga de 51 N

ABS

FIBRA DE PLATANO

DEFORMACION

MAX: 4,13 mm

DEFORMACION

MAX: 6,53 mm

MIN: 0 mm

MIN: 0 mm

 

 

 

FACTOR DE SEGURIDAD

11,04

FACTOR DE SEGURIDAD

11,78

 

 

 

Fuente: Autor

 

El anlisis para el polmero ABS y fibra de pltano, con una carga de 10000 N que representa un impacto por un choque a unos 64 Km/h se coloca en la tabla 5, donde la deformacin es ms evidente en la fibra de pltano con 1281mm, mientras que el polmero tiene 809.9 mm al sufrir un impacto o aplicacin de la carga antes mencionada, en el factor de seguridad mnimo del polmero es de 0.056 y la de la fibra natural es de 0.06, lo que indica una mayor fiabilidad en el impacto aplicado al utilizar la fibra natural.

 

Tabla 5: Simulacin ABS, Fibra de pltano con carga de 10000 N

ABS

FIBRA DE PLATANO

DEFORMACION

MAX: 809,9 mm

DEFORMACION

MAX: 1281 mm

MIN: 0 mm

MIN: 0 mm



FACTOR DE SEGURIDAD

MAX: 13,16

FACTOR DE SEGURIDAD

MAX: 14, 04

MIN: 0,056

MIN: 0,06

 

 

 

Fuente: Autor

 

El polmero ABS de alto impacto tiene menor masa y deformacin, pero al analizar el factor de seguridad para el mismo diseo de la autoparte la fibra natural tiene mayor fiabilidad al tener impactos fuertes.

 

Conclusiones

La fibra de banana/poliester de 30mm longitud, obtiene el mejor resultado en la investigacin con 50% de compuesto, la cual posee similares caractersticas mecnicas con una variacin del 4%, una resistencia a la traccin de 48 MPa, elongacin de 7% y 1.53 Mdulo de Young, tomando en cuenta que el material a ser suplantado es el ABS de alto impacto con una densidad de 1.02 a 1.04 (g/cm3), una traccin mxima de 24 a 45 MPa mdulo elstico 1.38 a 2.42 GPa, resistencia al impacto 164 a 436 (J/m).

La simulacin computacional con cargas de 5 N, 51 N y 10000 N, arrojan resultados positivos en la prueba de 5 N una reduccin del 32.79% en la deformacin y manteniendo un factor de seguridad de 15, la prueba de 51 N una reduccin del 36.75% en la deformacin y aumento del 6.7% del factor de seguridad, la prueba de 10000 N una reduccin del 36.77% en la deformacin y aumento del 7.14% en su factor de seguridad, deduciendo el reemplazo del ABS por el polmero de pseudotallo de pltano siendo ms fiable al tener impactos fuertes.

 

Referencias

1.              Aguirre Cruz, A., Bello Prez, A., Gonzlez Soto, L. A., & lvarez Castillo, R. A. (2007). Modificacin qumica del almidn presente en la harina de pltano macho (Musa Paradisiaca L.) y su efecto en el contenido de fibra diettica. Memorias IX Congreso Deficiencia de Los Alimentos Yv Foro Deficiencia y Tecnologa de Alimentos, Instituto de Ciencias Agrcolas, Universidad de Guanajuato, Mxico, 6370.

2.              Alejandra, D., Izquierdo, H., Florcita, A., & Len, P. (2020). Carrera de Ingeniera Industrial y Comercial CUERO A PARTIR DE LA FIBRA DE Trabajo de investigacin para optar el Grado Acadmico de DIEGO ROLANDO BOHRQUEZ CARRASCO Lima Per. http://repositorio.usil.edu.pe/handle/USIL/10460

3.              Amir, N., Abidin, K. A. Z., & Shiri, F. B. M. (2017). Effects of fibre configuration on mechanical properties of banana fibre/PP/MAPP natural fibre reinforced polymer composite. Procedia Engineering, 184, 573580. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.140

4.              Aranzazu Hernndez, F., Valencia Montoya, J. A., PulgarinN, A., Isabel, M., & Castrilln Arias, C. (2005). El cultivo de pltano: manual tcnico. https://repositorio.sena.edu.co/bitstream/handle/11404/6983/cultivo_platano.pdf?sequence=1.

5.              Arteaga Alcivar, F. J. (2015). Origen y evolucin del banano. 11. https://www.academia.edu/24138727/2015_I_UNIVERSIDAD_NACIONAL_DE_COLOMBIA_ORIGEN_Y_EVOLUCIN_DEL_BANANO

6.              Baharin, A., Fattah, N. A., Bakar, A. A., & Ariff, Z. M. (2016). Production of Laminated Natural Fibre Board from Banana Tree Wastes. Procedia Chemistry, 19, 9991006. https://doi.org/10.1016/j.proche.2016.03.149

7.              Basak, S., Samanta, K. K., Chattopadhyay, S. K., & Narkar, R. (2015). Thermally stable cellulosic paper made using banana pseudostem sap, a wasted by-product. Cellulose, 22(4), 27672776. https://doi.org/10.1007/s10570-015-0662-7

8.              Besednjak Dietrich, A. (2005). Materiales compuestos de fabricacin de embarcaciones.(1a.). Espaa.

9.              Binoj, J. S., Edwin Raj, R., & Daniel, B. S. S. (2017). Comprehensive characterization of industrially discarded fruit fiber, Tamarindus indica L. as a potential eco-friendly bio-reinforcement for polymer composite. Journal of Cleaner Production, 142, 13211331. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.09.179

10.          Bismarck, A., Baltazar-Y-Jimenez, A., & Sarikakis, K. (2006). Green Composites as Panacea? Socio-Economic Aspects of Green Materials. Environment, Development and Sustainability, 8(3), 445463. https://doi.org/10.1007/s10668-005-8506-5

11.          Borreguero, A. M., Valverde, J. L., Rodrguez, J. F., Barber, A. H., Cubillo, J. J., & Carmona, M. (2011). Synthesis and characterization of microcapsules containing Rubitherm RT27 obtained by spray drying. Chemical Engineering Journal, 166(1), 384390. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.10.055

12.          Brooks, R., Shanmuga Ramanan, S. M., & Arun, S. (2017). Composites in Automotive Applications: Design. In Reference Module in Materials Science and Materials Engineering (Issue February 2016). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-803581-8.03961-8

13.          Chand, N., & Fahim, M. (2020). Tribology of natural fiber polymer composites. Woodhead publishing.

14.          Chen, Y., Chiparus, O., Sun, L., Negulescu, I., Parikh, D. V, & Calamari, T. A. (2005). Natural fibers for automotive nonwoven composites. Journal of Industrial Textiles, 35(1), 4762. https://doi.org/10.1177/1528083705053392

15.          Cunalata Snchez, E. F., & Jimnez Abarca, C. A. (2019). Caracterizacin de un material compuesto de matriz polister reforzada con fibra de yute precargada mediante moldeo por compresin. Quito, 2019. http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/20421.

16.          Delgado Loor, N. A. (2019). Comportamiento mecnico de una teja tipo elaborada con mortero hidrulico y prototipo con adicin de fibra de tallo de banano. Guayaquil: ULVR, 2019. http://repositorio.ulvr.edu.ec/handle/44000/2777

17.          Ellison, G. C., McNaught, R., & Eddleston, E. P. (2000). The use of natural fibres in nonwoven structures for applications as automotive component substrates. Research & Development Report NF0309. Ministry of Agriculture, Fisheries and Food, UK.

18.          Farinango Morales, J. C., & Moya Segovia, E. D. (2019). Caracterizacin de un material compuesto matriz polister reforzado con fibra tejida de banano. Quito, 2019. http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/20594

19.          Freier, T., Koh, H. S., Kazazian, K., & Shoichet, M. S. (2005). Controlling cell adhesion and degradation of chitosan films by N-acetylation. Biomaterials, 26(29), 58725878. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.02.033

20.          Gebregergs, A., Gebresemati, M., & Sahu, O. (2016). Industrial ethanol from banana peels for developing countries: Response surface methodology. Pacific Science Review A: Natural Science and Engineering, 18(1), 2229. https://doi.org/10.1016/j.psra.2016.06.002

21.          Getu, D., Nallamothu, R. B., Masresha, M., Nallamothu, S. K., & Nallamothu, A. K. (2020). Production and characterization of bamboo and sisal fiber reinforced hybrid composite for interior automotive body application. Materials Today: Proceedings, xxxx. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.780

22.          Han, E. S., & goleman, daniel; boyatzis, Richard; Mckee, A. (2019). Experimentacion Y Posibles Aplicaciones De La Fibra De Banano En El Campo Textil. Journal of Chemical Information and Modeling, 53(9), 16891699.

23.          Ilyas, R. A., Sapuan, S. M., Ishak, M. R., & Zainudin, E. S. (2019). Sugar palm nanofibrillated cellulose (Arenga pinnata (Wurmb.) Merr): Effect of cycles on their yield, physic-chemical, morphological and thermal behavior. International Journal of Biological Macromolecules, 123, 379388. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.11.124

24.          James, C. (2009). Banano, origen y influencia en la economa ecuatoriana. Recuperado de Http://Carlosjamescarlosjames-1. Blogspot. Com.

25.          Joseph, S., Sreekala, M. S., Oommen, Z., Koshy, P., & Thomas, S. (2002). A comparison of the mechanical properties of phenol formaldehyde composites reinforced with banana fibres and glass fibres. Composites Science and Technology, 62(14), 18571868. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(02)00098-2

26.          Kabir, M. M., Wang, H., Aravinthan, T., Cardona, F., & Lau, K.-T. (2011). Effects of natural fibre surface on composite properties: A review. Proceedings of the 1st International Postgraduate Conference on Engineering, Designing and Developing the Built Environment for Sustainable Wellbeing (EddBE2011), 9499. https://eprints.usq.edu.au/18822

27.          Kargarzadeh, H., Mariano, M., Gopakumar, D., Ahmad, I., Thomas, S., Dufresne, A., Huang, J., & Lin, N. (2018). Advances in cellulose nanomaterials. Cellulose, 25(4), 21512189. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1723-5

28.          Kenned, J. J., Sankaranarayanasamy, K., Binoj, J. S., & Chelliah, S. K. (2020). Thermo-mechanical and morphological characterization of needle punched non-woven banana fiber reinforced polymer composites. Composites Science and Technology, 185, 107890. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2019.107890

29.          Lady Joana, S. R. (2013). Elaboracin de un material biocompuesto a partir de la fibra de pltano. 93. https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/52647

30.          Las, P. D. E., Naturales, F., & Pseudotallo, D. E. L. (n.d.). Obtaining and Characterization Agglomerated Panels of. 110.

31.          Linda, M., & Astudillo Richard. (n.d.). OBTAINING AND CHARACTERIZATION AGGLOMERATED PANELS OF. 110. https://lirias.kuleuven.be/2379701?limo=0

32.          Maldonado, Lina, Manzano, P., Cuesta, F., Cedeo, Y., & Zevallos, N. (2013). Caracetrizacin fsico-qumica de las fibras obtenidas de la planta de banano (Musa paradisiaca) procedente del cantn el Guabo de la Provincia del Oro. In Yachana (Vol. 2, Issue 1, pp. 1720). http://revistas.ulvr.edu.ec/index.php/yachana/article/view/190

33.          Maleque, M. A., Belal, F. Y., & Sapuan, S. M. (2007). Mechanical properties study of pseudo-stem banana fiber reinforced epoxy composite. The Arabian Journal for Science and Engineering, 32(2B), 359364. https://www.researchgate.net/profile/S_Sapuan/publication/242783313_Mechanical_properties_study_of_pseudo-stem_banana_fiber_reinforced_epoxy_composite/links/00b49529e891e7ac23000000/Mechanical-properties-study-of-pseudo-stem-banana-fiber-reinforced-epoxy-composite.pdf

34.          Mamun, A. A., Heim, H. P., Faruk, O., & Bledzki, A. K. (2015). The use of banana and abaca fibres as reinforcements in composites. In Biofiber Reinforcements in Composite Materials. https://doi.org/10.1533/9781782421276.2.236

35.          Mazzeo Meneses, M. (2010). Aprovechamiento Industrial De Residuos. Educacin En Ingeniera, 128139. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.26507/rei.v5n9.14

36.          Mohanty, A. K., Misra, M., & Drzal, L. T. (2005). Natural fibers, biopolymers, and biocomposites. CRC press. https://doi.org/10.1201/9780203508206

37.          MORALES LISSETTE. (2018). Universidad Laica Vicente Rocafuerte. https://repositorio.upse.edu.ec/handle/46000/5307.

38.          Murali Mohan Rao, K., Mohana Rao, K., & Ratna Prasad, A. V. (2010). Fabrication and testing of natural fibre composites: Vakka, sisal, bamboo and banana. Materials and Design, 31(1), 508513. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.06.023

39.          Paul, S. A., Joseph, K., Mathew, G. D. G., Pothen, L. A., & Thomas, S. (2010). Influence of polarity parameters on the mechanical properties of composites from polypropylene fiber and short banana fiber. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41(10), 13801387. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2010.04.015

40.          Peas, P., Carvalho, H., Salman, H., & Leite, M. (2018). Natural Fibre Composites and Their Applications: A Review. Journal of Composites Science, 2(4), 66. https://doi.org/10.3390/jcs2040066

41.          Pothan, L. A., Thomas, S., & Neelakantan, N. R. (1997). Short Banana Fiber Reinforced Polyester Composites: Mechanical, Failure and Aging Characteristics. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 16(8), 744765. https://doi.org/10.1177/073168449701600806

42.          Raharjo, W. P., Soenoko, R., Purnowidodo, A., & Choiron, M. A. (2018). Experimental and micromechanical modelling of randomly oriented zalacca fibre/low-density polyethylene composites fabricated by hot-pressing method. Cogent Engineering, 5(1), 1518966. https://doi.org/10.1080/23311916.2018.1518966

43.          Sapuan, S. M., Leenie, A., Harimi, M., & Beng, Y. K. (2006). Mechanical properties of woven banana fibre reinforced epoxy composites. Materials and Design, 27(8), 689693. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2004.12.016

44.          Sathish, S., Murugesan, C. K., & Ramkumar, R. (2015). Study of mechanical characteristics on hybrid composites using sisal fiber and banana fiber. International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology, 3(5), 2126. https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20153387708

45.          Schyns, Z. O. G., & Shaver, M. P. (2021). Mechanical recycling of packaging plastics: A review. Macromolecular Rapid Communications, 42(3), 2000415. https://doi.org/10.1002/marc.202000415

46.          SENPLADES. (2009). Plan Nacional para el Buen Vivir 2009-2013. Senplades, 10,15,25. http://www.planificacion.gob.ec/wp-content/uploads/downloads/2012/07/Plan_Nacional_para_el_Buen_Vivir_%28version_resumida_en_espanol%29.pdf%0Ahttp://www.planificacion.gob.ec/wp-content/uploads/downloads/2012/07/Plan_Nacional_para_el_Buen_Vivir_(version_re

47.          Sreekumar, P. A., Albert, P., Unnikrishnan, G., Joseph, K., & Thomas, S. (2008). Mechanical and water sorption studies of ecofriendly banana fiberreinforced polyester composites fabricated by rtm. Journal of Applied Polymer Science, 109(3), 15471555. https://doi.org/10.1002/app.28155

48.          Stark, N. M., & Rowlands, R. E. (2003). Effects of wood fiber characteristics on mechanical properties of wood/polypropylene composites. Wood and Fiber Science, 35(2), 167174. https://www.fs.usda.gov/treesearch/pubs/8558

49.          Syriac, G. M., Babychan, M., & Mishra, S. (2017). Response of Different Sources of Sugar on Production and Quality Analysis of Banana (Musa paradisiaca) Fruit Wine cv. Grand Naine. International Journal of Pure & Applied Bioscience, 5(4), 18831889. https://doi.org/10.18782/2320-7051.5180

50.          Tinajero Andrs. (2018). Diseo experimental de mobiliario para el sector de ecoturismo empleando los desechos del pseudotallo del banano de las plantaciones de Mindo. PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DEL ECUADOR, 121. http://repositorio.puce.edu.ec/handle/22000/15363

51.          Torres, G. K. P. (2013). Experimentacin tecnolgica de la fibra de banano aplicada en el diseo de objetos. http://ezproxy.unal.edu.co/login?url=http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=edsbas&AN=edsbas.D3DCF140&lang=es&site=eds-live

52.          Vasquez, M. F. (2019). Escuela politcnica nacional. 157. https://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/786%0Ahttps://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/786/1/CD-1222.pdf

53.          Witayakran, S., Smitthipong, W., Wangpradid, R., Chollakup, R., & Clouston, P. L. (2017). Natural Fiber Composites: Review of Recent Automotive Trends. Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 19. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-803581-8.04180-1

 

 

 

 

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