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Materiales compuestos y su aplicaci�n en partes automotrices: Revisi�n

 

Composite materials and their application in automotive parts: Review

 

Materiais comp�sitos e sua aplica��o em pe�as automotivas: Revis�o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: axarias@espe.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Revisi�n

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* Recibido: 23 de julio de 2022 *Aceptado: 12 de agosto de 2022 * Publicado: 1 de septiembre de 2022

 

1. Mag�ster en Dise�o Mec�nico, Ingeniero Automotriz, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Sangolqu�, Ecuador.
2. Ingeniero Automotriz, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Sangolqu�, Ecuador.
3. Ingeniero Automotriz, Instituto Superior Universitario Central T�cnico ISCT, Quito, Ecuador.
4. Mag�ster en Dise�o Mec�nico Ingeniero Automotriz, Universidad Nacional de Chimborazo UNACH, Riobamba, Ecuador.

Resumen

Se realiz� una revisi�n sobre publicaciones de materiales compuestos empleados en la fabricaci�n de partes de carrocer�as automotrices con lo cual se identific� las caracter�sticas de los materiales y los factores que influyen en la diferente composici�n y estrategia de nuevos descubrimientos para reducir la dependencia de ciertos materiales como son la fibra de vidrio. La metodolog�a consisti� en la lectura de varios art�culos para conocer m�s informaci�n y dar respuestas claras y actualizadas de los materiales compuestos que existen. Como resultado de la revisi�n se puede concluir que, existe una gran variedad de materiales compuestos que se han usado en investigaciones para la fabricaci�n de carrocer�as automotrices pero ning�n material ha sido industrializado como la fibra de vidrio debido a los costos de fabricaci�n que representa obtener materia prima para otros materiales compuestos, adem�s mediante la investigaci�n se ha encontrado que a pesar de la complejidad de fabricaci�n de diferentes materiales compuestos existen fibras mas resistentes y con mejores propiedades que las utilizadas actualmente para la fabricaci�n de partes de carrocer�as automotrices.

Palabras Clave: Material compuesto; Industria automotriz; Fibra de bamb�; Fibra de guadua; Ceniza volante.

 

Abstract

A review of publications on composite materials used in the manufacture of automotive body parts was carried out, identifying the characteristics of the materials and the factors that influence the different composition and strategy of new discoveries to reduce the dependence on certain materials such as They are fiberglass. The methodology consisted of reading several articles to learn more information and give clear and up-to-date answers on the composite materials that exist. As a result of the review, it can be concluded that there is a wide variety of composite materials that have been used in research for the manufacture of automotive bodies, but no material has been industrialized like fiberglass due to the manufacturing costs that obtaining material represents. raw material for other composite materials, also through research it has been found that despite the complexity of manufacturing different composite materials there are more resistant fibers and with better properties than those currently used for the manufacture of automotive body parts.

Keywords: Composite material; Automotive industry; bamboo fiber; Guadua fiber; fly ash.

 

Resumo

Foi realizada uma revis�o de publica��es sobre materiais comp�sitos utilizados na fabrica��o de pe�as de carroceria automotiva, identificando as caracter�sticas dos materiais e os fatores que influenciam a composi��o diferenciada e a estrat�gia de novas descobertas para diminuir a depend�ncia de determinados materiais como S�o fibra de vidro . A metodologia consistiu na leitura de diversos artigos para saber mais informa��es e dar respostas claras e atualizadas sobre os materiais comp�sitos existentes. Como resultado da revis�o, pode-se concluir que existe uma grande variedade de materiais comp�sitos que v�m sendo utilizados em pesquisas para a fabrica��o de carrocerias automotivas, mas nenhum material foi industrializado como a fibra de vidro devido aos custos de fabrica��o que a obten��o do material representa. . mat�ria-prima para outros materiais comp�sitos, tamb�m atrav�s de pesquisas verificou-se que apesar da complexidade de fabrica��o de diferentes materiais comp�sitos existem fibras mais resistentes e com melhores propriedades do que as atualmente utilizadas para a fabrica��o de pe�as de carroceria automotiva.

Palavras-chave: Materiais compostos; Ind�stria automotiva; fibra de bambu; fibra de guadua; cinzas volantes.

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Introducci�n

Los materiales compuestos se dividen en muchas opciones seg�n la ideas y conceptos necesarios, para identificar una clasificaci�n �til y completa se muestra la tabla con algunos ejemplos. La mayor�a de los materiales que aparecen en la naturaleza obtiene sus magn�ficas propiedades de una combinaci�n de dos o m�s componentes que pueden distinguirse prontamente cuando se examinan con microscopios �pticos o electr�nicos. As�, por ejemplo, muchos tejidos del cuerpo que tiene una alta resistencia combinada con una enorme flexibilidad, est�n hechos de fibra resistentes tales como el col�geno, embebidas en una matriz de rigidez. Las fibras se alinean de tal manera que proporcionen una rigidez m�xima en la direcci�n de mayores cargas y son capaces de deslizar unas sobre otras para que el tejido sea muy flexible. De forma semejante el examen microsc�pico de la madera y el bamb� relevan a una acusada estructura fibrilar que es muy evidente en el bamb� cuando se rompe. No se puede sorprendente que el material compuesto de bamb� haya sido llamado como fibra de vidrio extra�do de la naturaleza, la mayor parte de los materiales de ingenier�a son tambi�n combinaciones de dos o m�s fases dispersas en distintas escalas de microscopios para obtener varias propiedades �ptimas. [1]

Tabla 1: Materiales compuestos

Es posible observar que al agregar madera a los pol�meros tiende y produce una disminuci�n de la resistencia al impacto. Esta disminuci�n nos da como efecto que es mayor con el aumento del porcentaje de madera. La disminuci�n de la resistencia produce un impacto que alcanza valores significativos que en los t�rminos de porcentajes y al realizar las diferencia para valores medios es de 77% para HDPE y de 80% para PP, cuando el reemplazo es de 10%. Compositos con 20% de madera de pino presentan una nueva disminuci�n de resistencia al impacto de un 17% para ambos pol�meros, respecto de compositos con 10% de contenido de madera.

Maiti y Singh (1986) realizo una examinaci�n de diferentes compositos de base de madera y polipropileno, obteniendo resultados que la resistencia al impacto Izod disminu�a con el incremento de relleno de polvo de madera de cedro, en (1999) pudieron detectar una disminuci�n de resistencia al impacto de un 50%, respecto del pol�mero puro, en polietileno de alta densidad (HDPE), cuando colocan un 14% de harina de madera.

De acuerdo que es posible postular que la distribuci�n de harina de madera en la matriz polim�rica disminuye el grado de cristalinidad, lo cual puede dificultar la disipaci�n de energ�a necesaria para permanecer la resistencia al impacto. [2]

Figura 1: Resistencia de impacto

En pl�sticos m�s tradicionales (PE, PP, ABS, PET, entre otros), son materiales artificiales y no existen otros mecanismos en la naturaleza para que se acelerar su r�pida degradaci�n. Las demandas con respecto a todos pl�sticos aumentan todo el tiempo. Se busca que estos pl�sticos sean m�s baratos y amistosos con el ambiente para no da�ar al ecosistema y tener la posibilidad de ser renovables y m�s f�ciles de usar en la producci�n para reducir su contaminaci�n, haciendo uso de una menor cantidad de energ�a. Los ingenieros buscan los materiales con las mejores propiedades mec�nicas y con m�s aplicaciones con respecto a los materiales que existen actualmente. Los pl�sticos tambi�n puedes ser naturales, se denominan biopl�sticos. Estos pueden proporcionar una reducci�n en la dependencia de combustibles f�siles y sus impactos en el ambiente. El biopl�stico es un material pol�mero fabricado extraidos de materias primas naturales (como az�car, almid�n, celulosa, patatas, cereales, melaza, aceite de soya, ma�z, etc.); estos necesitan ser procesadas por organismos vivos (hongos, bacterias o algas), por esto casi no producen contaminaci�n en su producci�n, y es biodegradable. En este tipo de materiales tienen una igual resistencia y rigidez del pl�stico est�ndar, por lo que se usa los embalajes y empaques (en algunos pa�ses de Europa se utiliza ya con estos materiales para el empaque o embalaje de productos alimenticios), en botellas, espumas, productos higi�nicos y juguetes. La producci�n mundial de biopl�sticos el incremento cada a�o del 38% en el periodo 2003 - 2007, en Europa fue 48%, y se tiene la expectativa que la producci�n mundial alcance un nivel 2.3 millones de toneladas para el a�o 2013. Lo importante en la producci�n ser� de pl�sticos de almid�n, �cido polil�ctico (PLA) producido v�a acido de az�car fermentada, producido de aceites vegetables Los biopl�sticos pueden tener grandes aplicaciones en la producci�n de cintas para empacar todos los alimentos. La mayor�a de cintas de biopl�stico cumplen con todos los est�ndares europeos para la descomposici�n de pol�meros (EN 13432) y el americano (ASTM D 6400) pero en partes r�gidas no (Leaversuch, 2002: Tharanathan, 2003). El equipo existente para pl�sticos tradicionales puede ser utilizados para la producci�n de partes r�gidas de biopl�sticos. Los biopl�sticos son biodegradables como el PLA, PSM (almid�n de pol�mero) y PHB (polihidrobutirato), pero existen biopl�sticos no biodegradables como la Quitrina, el PA-11 (poliamida 11) o el polietileno obtenido en el 100% a partir de etanol de ca�a de az�car. [3]

Tabla 2. Reforzado con fibras naturales

 

Reci�n se inform� en un estudio comparativo sobre las propiedades mec�nicas y amortiguadoras de los materiales compuestos termopl�sticos (polipropileno), termoestables (epoxi) y compuestos biodegradables de �cido polil�ctico (PLA) reforzados con fibra de lino a un 40 % de fibras en todos estos casos, en comparaci�n con compuestos epoxi reforzados con fibra de carbono y vidrio.� En este estudio, se report� una mejor relaci�n entre rigidez y amortiguaci�n con PLA semicristalino reforzado con el material de fibra de lino. A temperatura ambiente las propiedades amortiguadoras mucho mejores en los compuestos reforzados con fibra de lino, en comparaci�n con los reforzados con fibra de vidrio y fibra de carbono 13. Mejora de las propiedades mec�nicas y t�rmicas de estos materiales compuestos polim�ricos reforzados con fibra natural depende de los siguientes factores

• Tipo de fibra
• Tipo de matriz
• Tipo de rellenos (si se usan)
• Porcentaje de fibras en los materiales compuestos
• Relaci�n de aspecto y orientaci�n de la fibra
• Forma de la fibra (cil�ndrica, esf�rica, prismas��� rectangulares de secci�n transversal o plaquetas)
• M�todos/t�cnicas de fabricaci�n

Temas como la biodegradabilidad y la reciclabilidad juegan un papel importante en el empleo de productos y materiales.� De manera generalizada, las fibras naturales poseen una serie de ventajas econ�micas y ecol�gicas sobre las fibras sint�ticas 15. La Tabla 1 muestra la comparaci�n entre las fibras naturales y las fibras de vidrio. [4]

Tabla 3. Comparaci�n entre las fibras naturales y las fibras de vidrio.

Propiedades de las fibras naturales Algunas propiedades de las fibras naturales como las mec�nicas depender�n de factores como el tama�o, la madurez y los m�todos de procesamiento empleados para la extracci�n de las mismas. Estudios indican que varias propiedades como la densidad, la resistencia a la tracci�n y otras propiedades depender�n de la estructura interna y la composici�n qu�mica de las fibras. El m�dulo de la fibra natural baja con el aumento de su di�metro. La demostraci�n de las propiedades de varias fibras naturales y sint�ticas. Otro de los factores que afectan directo a las propiedades de las fibras naturales es como esta compuesta qu�micamente. Para realizar estos proceso los componentes principales de las fibras naturales son celulosa, hemicelulosa y lignina. Usualmente, las fibras naturales se componen de 30 % a 80 % de celulosa, de 7 % a 40 % de hemicelulosa y de 3 % a 33 % de lignina 36. La celulosa es un componente estructural importante de la pared celular primaria de las paredes de las fibras naturales que rodean a las mismas, lo que hace que las c�lulas vegetales, hojas, ramas y tallos sean fuertes. La celulosa tiene varias funciones, incluida la conexi�n de las c�lulas para formar tejido, proporcionan soporte de tipo estructural, as� como de fuerte resistencia al estr�s y evitando que la c�lula estalle en una soluci�n hipot�nica. Las hemicelulosas por otra parte, es la encargada de la absorci�n de humedad, degradaci�n t�rmica y biodegradaci�n, la primera ocurre entre los 220 y 315 �C, por lo que presenta menor resistencia en comparaci�n con las celulosas. La lignina es t�rmicamente estable y su des-composici�n ocurre entre los 165 y 900 �C 39. La fibra natural tiene microestructuras las que consisten en microfibras de celulosa reforzadas con una matriz amorfa de hemicelulosa y lignina, por otro lado, que las microfibras de celulosa contienen en miles de nanofibrillas conectadas a lo largo de las fibras naturales. Las uniones de hidr�geno y otros enlaces proporcionan la rigidez y resistencia necesarias a las fibras [4]

Tabla 4. Propiedades de algunas fibras naturales y sint�ticas

[1] 

 

1.  RESULTADOS Y DISCUSI�N

[2]  Caracterizaci�n del material compuesto de resina poli�ster con part�culas de caucho reciclado y su aplicabilidad en carrocer�as.

Los materiales compuestos de matriz polim�rica son cada vez m�s importantes en la industria automotriz y conducen a la investigaci�n de nuevas propiedades y facilidad de fabricaci�n, el objetivo de esta investigaci�n es obtener materiales compuestos con matriz de resina poli�ster reforzado con gr�nulos de caucho de llanta reciclado con tres diferentes tama�os de part�culas variando sus proporciones m�sicas de 10%, 20%, 30% y 35%. Tambi�n se determina que su m�dulo de flexi�n aumenta con el tama�o de part�cula m�s grande. Con las propiedades mec�nicas obtenidas a trav�s de los ensayos se determin� que el material compuesto con tama�o de grano G3 tiene la capacidad de doblarse debido a que aumenta su m�dulo de elasticidad, convirti�ndolo en un material el�stico y ser� utilizado en piezas exteriores, como guardabarros y una vez que su vida ha terminado, podemos quemarlos y convertirlos en energ�a t�rmica. [5]

[3]  Caracterizaci�n de las propiedades tensiles de un material compuesto laminado epoxi-carbono empleado en la fabricaci�n de un monoplaza tipo formula SAE

Se analizan las propiedades de tracci�n de los compuestos polim�ricos reforzados con fibra de carbono utilizados en la producci�n de monoplazas de carreras de F�rmula SAE. Para ello, se elaboraron composites a partir de pretratamientos con diferentes orientaciones de fibras mediante un proceso de curado al vac�o. Reemplazar los componentes externos es m�s complicado ya que estas partes no est�n protegidas de las condiciones clim�ticas, por lo que una alternativa ser�a obtener materiales compuestos con matriz polim�rica. reforzado con part�culas de llantas de desecho. Los resultados experimentales se compararon con los resultados anal�ticos obtenidos de la teor�a cl�sica del laminado utilizando un software especializado. Tambi�n se desarroll� el an�lisis microsc�pico de la zona de fractura de las probetas para evaluar la eficiencia del proceso de fabricaci�n [6]

[4]  Uso de fibras vegetales en materiales compuestos de matriz polim�rica: una revisi�n con miras a su aplicaci�n en el dise�o de nuevos productos.

Las fibras vegetales en materiales compuestos hoy en d�a es una alternativa realmente llamativa para aplicaciones industriales por su bajo costo y peso ligero, por ser una materia prima estas fibras tienen propiedades superiores a otros materiales cuando se utiliza como refuerzo en materiales compuestos. Este tipo de materiales se vienen utilizando en industrias como calzado, de igual manera se utiliza en carrocer�a para ciertas piezas donde tiene un peso ligero. Este tipo de material es bastante reforzado y puede ser utilizado como el caucho para transporte y construcci�n. En este trabajo se presenta la clasificaci�n de las fibras vegetales y sus propiedades ya que son muy utilizadas dentro del campo automotriz para la construcci�n de ciertas piezas del veh�culo, estas fibras est�n compuestas de varios componentes para tener� propiedades muy altas para la construcci�n tambi�n tienen caracter�sticas mec�nicas al igual que la fibra de cabuya y coco, tienen propiedades muy llamativas ya que tienen un costo bajo y son recomendables para ciertos trabajos ya que tiene un peso sumamente ligero y reforzado . [7]

[5]  Materiales compuestos de pol�mero reforzados con fibra de cabuya y coco aplicado al sector automotriz

Las fibras naturales son un recurso que se encuentran en abundancia, son econ�micas y se descomponen f�cilmente siendo de ayuda para el medio ambiente. Los compuestos de fibras naturales han llamado mucho la atenci�n de los investigadores. Las fibras naturales m�s utilizadas para autom�viles son yute, abac�, cabuya, coco y kenaf, etc. Actualmente los materiales compuestos representan un papel de gran importancia en el mundo de la fabricaci�n debido a su peso ligero y resistencia razonable. Para mejorar las caracter�sticas particulares de una fibra, se hibridan varias fibras y se tratan qu�micamente. La fibra de coco, y fibras de agave que se preparan en forma de matriz, se mezclan con resinas apropiadas para lograr una uni�n adecuada del material, donde los resultados de la experimentaci�n se comparan con otros tipos de compuestos polim�ricos reforzados. Ac� se presenta m�ltiples propiedades derivadas de la caracterizaci�n mec�nica, se aprecian estudios de microestructura en las muestras donde se identifica la elecci�n de la fibra, el relleno, el aglutinante, el tama�o de part�cula y la composici�n juegan un papel importante para la optimizaci�n en los materiales. [8]

[6]  Estudio sobre la vida a la fatiga y el comportamiento a la fractura de materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio

El material utilizado en los componentes de los veh�culos pueden afectar significativamente el desempe�o de la aerodin�mica dependiendo su funcionalidad, peso y durabilidad, por lo cual la fibra de vidrio se encuentra en uno de los materiales m�s com�n mente usado ya sea por su ligereza y excelentes propiedades de elasticidad, sin embargo uno de los problemas que presenta es� la fatiga que se interpreta como el deterioro en el que las propiedades del material se ven sometidas a cargas peri�dicas, provocando da�os, defectos y fisuras en el material, debiendo tenerse en cuenta la causa del fallo por formaci�n o acci�n s�bita de la corrosi�n. La forma que permite la observaci�n de los estudios de estr�s es la demostraci�n� mediante pruebas bajo sustancias o de la iluminaci�n para mostrar propiedades mec�nicas y de comportamiento que con el tiempo producen una disminuci�n de la dureza y resistencia durante el periodo de tiempo de su uso el cual se requiere reforzamientos que da como resultados que se produce una mayor resistencia tanto en temperatura como en deformaci�n que muestran curvas S.N a una orientaci�n de 90� el cual son significativas para producir una menor degradaci�n de la rigidez ya que presenta anisotrop�a y heterogeneidad, Una de las t�cnica de transferencia que requiere una capa herm�tica para el reforzado del mismo se debe a la tracci�n de los materiales compuestos con fibras continuas aumentando as� su orientaci�n y grosor dando como resultado laminados para la mejor resistencia del mismo material como lo es la infusi�n con resina y el endurecedor que facilita el proceso de curado de la fibra de vidrio al igual que el proceso de desmoldado con dicho proceso se realiza el estudio tracci�n y fatiga de amplitud constante el cual es sometido, en mencionado proceso se usa probetas con especificaciones� de longitudes de 350mm, 25 mm de anchura y 3mmm de grosor en el proceso se debe mantener a una velocidad constante de 5min/mm para poder identificar con mejor regularidad sus propiedades mec�nicas de cada orientaci�n as� se analiza estas observaciones a trav�s de fractografia que es un an�lisis desde un punto de vista humano para poder conocer el fallo de matriz o esfuerzo que presentan durante la recolecci�n de an�lisis, en el proceso de investigaci�n se debe agregar que, para evitar defectos en la muestra, esta debe tener propiedades adecuadas para su posterior orientaci�n en la aplicaci�n de fibras de vidrio eliminando as� compuestos que puedan causar estos problemas como el alineado de su estructura o capas que no sean beneficiosas por ese motivo existe la prueba llama rop el cual es usado para poder identificar de una mejor manera si existe alg�n tipo de fuga en la fabricaci�n de este al igual que si presenta necesidad de alg�n tipo de infusi�n de su capa para obtener resultados mas claros con la realizaci�n de ver de igual manera aire en el sistema que resulte perjudicial a la hora se su aplicaci�n. [9]

[7]  Diagn�stico del sector automotriz del Ecuador. Caso fabricaci�n de autobuses en la provincia de Tungurahua

El sector automotriz es uno de los de mayor crecimiento en el pa�s, incorporando t�cnicas innovadoras junto con dise�os actuales. La innovaci�n en esta �rea se refleja en el uso de fibra de vidrio y mejoras en el proceso de fabricaci�n. El objetivo del estudio fue conocer el aporte de la fibra de vidrio en la fabricaci�n de autobuses por parte de carroceros en la provincia de Tungurahua, Ecuador. El estudio es descriptivo, cuantitativo y no experimental, basado en el an�lisis estad�stico de datos obtenidos a trav�s de encuestas a fabricantes de estructuras de fibra de vidrio. Adem�s, para brindar informaci�n m�s completa sobre esta �rea, se obtuvieron datos de la Agencia Nacional de Transito (ANT), C�mara nacional de fabricantes de carrocer�as (CANFAC), los Institutos Nacionales de Estad�stica y Fiscalizaci�n (NTSC) (INEC) y el Servicio de Rentas Internas. (SRI). Se ha demostrado que mejorar el uso de fibra de vidrio hace que la innovaci�n mejore la competitividad de las empresas en el sector automotriz. Se ha demostrado que el desarrollo de la industria ha convertido el boicot en uno de los principales contribuyentes del presupuesto estatal y el tipo de estructura m�s utilizada en la producci�n de la estructura de los autobuses. El sector automotriz, se ha caracterizado por las ganancias de muchas compa��as, lo que lo convierte en una instalaci�n comercial, y de esta manera, existen mejores criterios de producci�n en el campo de los repuestos de autom�viles, en esta industria gracias a la innovaci�n y el cambio de tecnolog�a, es compatible con fibra de vidrio porque es un material� ligero, flexible, duradero y permiten una reforma m�s econ�mica y menos tiempo para permitir la contribuci�n de las partes de carrocer�a y los autom�viles con una producci�n en el autob�s provincial mejorando as� el sector automotriz en estas operaciones y negocios. Se pudo identificar la cantidad de empresas que se dedican al �mbito de carrocer�as en esta provincia dando as� como resultado un total de 24 establecimientos que se dedican a la fabricaci�n con fibras de vidrio para el autob�s. [10]

[8]  Utilizaci�n de materiales tenaces para mejorar la uni�n adhesiva de capas de laminado de fibra de carb�n

[9]  La principal caracter�stica de los laminados de tejido de fibra de carbono con matriz epoxi, es la alta rigidez la matriz una vez polimerizada con una baja deformaci�n. Frecuentemente materiales compuestos con matrices de esta clase, sometidos a esfuerzos de tracci�n, fallan por fractura de la matriz produciendo la delaminaci�n y la separaci�n de las fibras. Las resinas de base poliuretano o base acr�lico m�s tenaces se emplean para mejorar la capacidad de deformaci�n, pero se disminuye la rigidez. Los poliuretanos se caracterizan con un comportamiento el�stico admitiendo deformaciones del 30%. Las acr�licas llegan a deformaciones del 150 %. En los 2 casos las tensiones de rotura no superan los 10 MPa, pero

[10]  Es importante mencionar que la resistencia a la tracci�n de estos laminados la aportan las fibras del tejido que est�n colocadas en la direcci�n de los esfuerzos. Para analizar estos comportamientos se preparan, primeramente, probetas de tracci�n, flexi�n y Charpy de las resinas epoxi SC8500 (Sicomin Composites), poliuretano SF7720L45 (Sika) y acr�lico SF 5115NT (Sika), determinando sus caracter�sticas mec�nicas mediante ensayos en condiciones semejantes. De igual forma se preparan laminados por infusi�n en bolsa de vac�o de tres capas de tejido de fibra de carbono empleando las tres matrices. Se obtiene finalmente una mayor resistencia a la delaminaci�n al aumentar la tenacidad de la matriz [11]

[11] Construcci�n de la carrocer�a del veh�culo de competici�n F�rmula Student a partir de materiales compuestos con fibra natural

Este estudio muestra el desarrollo de la carrocer�a de un veh�culo de f�rmula estudiantil en el que se unen fibras animales (crin de caballo) y fibras vegetales (crin de caballo) como materiales de refuerzo a una matriz de resina de poli�ster. El comportamiento de los materiales utilizados se analiza en probetas que combinan diferentes capas de refuerzo y se someten a ensayos de tracci�n, flexi�n e impacto seg�n normas ASTM. Al dise�ar la carrocer�a, se utiliz� un software CAD que pod�a evaluarse en condiciones aerodin�micas reales para determinar la forma �ptima. Las piezas fueron moldeadas mediante estratificaci�n manual y posteriormente pulidas y pintadas. Los resultados obtenidos son afirmativos ya que el material exhibi� excelentes propiedades mec�nicas bajo diversas cargas y redujo significativamente la masa en un 41,95% en comparaci�n con el cuerpo de referencia de 2012 hecho de fibra de vidrio y resina de poli�ster. [12]

[12] An�lisis de las propiedades mec�nicas del compuesto de matriz poli�ster reforzado con fibra de vidrio 375 y cabuya aplicada a la industria automotriz

La fibra reforzada con pol�mero es ampliamente utilizada en las industrias automotrices y en industrias aeron�uticas debido a sus beneficios como son en los bajos costos, control de ruidos, bajo peso, facilidad en la manipulaci�n del material y procesamiento. El objetivo de estas investigaciones fue preparar un compuesto a base de fibra de vidrio (FV) con adiciones de fibra natural de cabuya (FC) en estratificaciones de fibra natural se corta la cabuya (FCO1-30%) y fibra larga del mismo (FL-30%). Potenciales aplicaciones est�n teniendo los compuestos h�bridos globalmente, sobre todo en las industrias automotrices y en las industrias aeron�uticas. Dentro del campo automotriz se encuentra las creaciones de carrocer�as de los autobuses, los cuales se encuentran en constante crecimiento en Am�rica Latina. Este material de matriz polim�rica es reforzado con fibras sint�ticas y ha incrementado su aplicaci�n en varios componentes de forrado exterior e interiores de productos tales como: techos, frentes, respaldos, tableros, consolas, entre otros. [13]

[13] Estudio de la fatiga en l�minas de tuber�a compuesta de matriz ep�xica con fibra de vidrio para cargas de tracci�n

El presente estudio muestra el estudio de matrices de termopl�sticos o termoestables para fusionar las fibras y poder exhibir alta resistencia y tenacidad para pesos moleculares altos. Sus propiedades mec�nicas, como la fluencia bajo cargas de tracci�n y compresi�n, var�an con la temperatura y pueden mostrar flexibilidad. Cabe recalcar que la fibra de vidrio est� dise�ada para ser adicionada a morteros y hormigones con el fin de disminuir la fisuraci�n y aumentar su durabilidad y resistencia al impacto, as� como aumentar la resistencia a tracci�n y compresi�n configur�ndose como una alternativa eficaz frente a la malla y la fibra met�lica, por ello en este art�culo se analizara la caracter�stica de l�minas de tuber�a de material compuesto de matriz ep�xica reforzada con fibra de vidrio, los materiales compuestos presentan cualidades dependientes de la fibra y la matriz, poseen una alta resistencia espec�fica debido a la fracci�n de volumen de fibra que aporta resistencia mec�nica, un ejemplo de la aplicaci�n de materiales compuestos en la construcci�n de tuber�as es el tubo enrollable el cual consta de tres capas. Cabe recalcar que para la fatiga de la l�mina de tuber�a compuesta de matriz epoxica con fibra para cargas de tracci�n se debe mantener en cuenta la estructura de la tuber�a [14]

[14] Caracterizaci�n de propiedades mec�nicas de las fibras de banano de la corteza y el cuerpo del tallo

Las fibras naturales son utilizadas actualmente por su facilidad de obtenci�n y aprovechamiento de la naturaleza, adem�s, su costo es menor que las fibras sint�ticas, y en muchos casos sus propiedades tienen ventajas tales como: durabilidad, gran resistencia mec�nica, flotabilidad y tolerancia a la sal. Da�os por agua y la longitud de sus filas. Estas fibras se utilizan para fortalecer pol�meros, formando compuestos con aplicaciones m�s industriales. En este estudio se realizaron los ensayos de tracci�n y flexi�n en un dispositivo de ensayo universal para determinar las propiedades de las fibras de banano, la resina de poli�ster y los compuestos entre ellas, y en el procesamiento qu�mico, notaremos el porcentaje de fibras extra�das de ellas. Someterse a un tratamiento qu�mico con sosa, con el fin de eliminar las gomas contenidas en las fibras. Despu�s del procesamiento, el hilo se sec� nuevamente en el medio ambiente, y debe tenerse en cuenta que las muestras de prueba son las siguientes: resina de poli�ster reforzada con fibra de banano transparente sin tratar, resina de poli�ster reforzada con fibra de banano tratada qu�micamente. Finalmente, la resina de poli�ster sin ning�n tipo de endurecimiento, y luego de realizar un an�lisis de elementos finitos para determinar y comparar los valores te�ricos, se utilizan los valores reales obtenidos despu�s del estiramiento y la flexi�n [15]

[15] Composites de bagazo de baja densidad para partes y piezas moldeadas para la industria automotriz

Se creo un composite a mediante bagazo de ca�a de az�car, con caracter�sticas similares a una muestra entregada por la firma FAIST GmbH& Co. K.G. de Alemania, para ser empleado en la elaboraci�n de partes y piezas moldeadas para la industria automotriz. Se estudian diferentes grados de molida. A los composites obtenidos se le determinaron las propiedades f�sico-mec�nicas. Se realiz� un an�lisis visual de su aspecto f�sico.

Se determinaron las propiedades mec�nicas de los compuestos obtenidos, la pre hidrogenaci�n se realiz� en reactores cil�ndricos rotativos de 15 litros de capacidad y calentados el�ctricamente. Se introdujo 1200 g de este bagazo y luego se agrega agua hasta obtener un m�dulo de hidr�geno de 6: 1. Se tap� el tanque de digesti�n y se calent� nuevamente a una temperatura de cocci�n de 170 �C; en medio de la subida de temperatura a 120�C, se realiza la descompresi�n. El tiempo de subida fue de 50 minutos y el tiempo de espera de 15 minutos. Al final del proceso de cocci�n, se liber� la presi�n, se abri� el digestor y el lote se vierte en cajas con fondo de malla 60 y se lav� con una cantidad fija de agua. [16]

[16] Evaluaci�n de las propiedades mec�nicas de materiales compuestos elaborados a partir de cenizas volantes y pol�meros reciclados

Se estudiaron las propiedades mec�nicas de cada material para fabricarlo a base de cenizas volantes de carb�n de la central t�rmica Termopila junto con pel�culas estirables, polietileno lineal de baja densidad posconsumo y pol�meros termopl�sticos en parte cristalinos La mezcla se obtiene cambiando el contenido de cenizas volantes de 0 a 50% en peso en cada uno de los tres materiales polim�ricos Se evaluaron las propiedades mec�nicas: resistencia a la tracci�n, dureza Shore D y absorci�n de energ�a. Los resultados obtenidos indicaron que en todos los casos cuando se agreg� ceniza volante, las propiedades mec�nicas aumentaron Los compuestos de matriz polim�rica tambi�n se han desarrollado para la producci�n comercial en las industrias automotriz, de empaque, electr�nica, aeroespacial y� equipos de pasatiempo [17]

[17] Extracci�n y caracterizaci�n mec�nica de las fibras de bamb� (guadua angustifolia) para su uso potencial como refuerzo de materiales compuestos.

En este trabajo se estudiaron las fibras de bamb�, con la intenci�n de conocer su potencial como refuerzo mec�nico en materiales compuestos polim�ricos. Las fibras se extraen del culmo de bamb� mediante una digesti�n qu�mica alcalina y un proceso Kraft con diferentes concentraciones de licor. Ello se hizo con el prop�sito de determinar el procedimiento de separaci�n de fibras de bamb� m�s eficiente en t�rminos de grado de lignificaci�n y de propiedades mec�nicas. Posteriormente los haces vasculares extra�dos con los procesos alcalino y Kraft, se sometieron a ensayos de tensi�n para determinar su resistencia y rigidez. La caracterizaci�n de los resultados se hizo a trav�s de una funci�n de densidad de probabilidad lo normal, en lugar de hacerlo con el promedio aritm�tico. [18]

[18] Aplicaciones en la industria automotriz de materiales reforzados con fibra natural

El desarrollo de compuestos agr�colas para aplicaciones estructurales, como en la industria del autom�vil, ha recibido un enorme inter�s por parte de los investigadores debido a su comportamiento �nico. Entre las fibras agr�colas disponibles para mejorar el rendimiento mec�nico de los materiales, se han introducido las fibras de kenaf, que se utilizan ampliamente como refuerzo en los compuestos de pol�meros mediante la t�cnica de hibridaci�n. Las propiedades hidrof�licas e hidrof�bicas de las fibras naturales y los pol�meros, respectivamente, dan lugar a una d�bil interacci�n de uni�n entre las interfaces. [19]

[19] Estudio comparativo de las propiedades mec�nicas de la resina poli�ster reforzado con fibra de bamb�, como material sustituto de la fibra de vidrio

�La industria ha intensificado la producci�n de diversos materiales sint�ticos con la ayuda de nuevas tecnolog�as y su evoluci�n tambi�n ha desarrollado el uso de materiales reforzados con diferentes tipos de fibras, siendo el caso m�s com�n el de las fibras de vidrio, ya que sus propiedades aumentan la resistencia mec�nica al actuar como refuerzo en una matriz polim�rica. Como m�todo para reducir el impacto medioambiental, se han utilizado fibras de bamb� como sustituto de las fibras de vidrio en una matriz de poli�ster. Cuando se necesitan materiales compuestos muy flexibles, se puede utilizar resina de poli�ster reforzada con fibras de bamb� o de vidrio. Del mismo modo, cuando se requiere un material r�gido con requisitos de baja resistencia a la tracci�n, se pueden utilizar fibras de bamb�, lo que reduce los costes de la materia prima y permite el uso de materiales biodegradables. [20]

[20] Caracterizaci�n mec�nica de compuestos poli�ster/fibra de guadua y poli�ster/fibra de guadua-vidrio

Este trabajo muestra los resultados experimentales obtenidos de la caracterizaci�n mec�nica de los materiales compuestos de matriz polim�rica reforzados con fibra de guadua o fibra de vidrio la matriz polim�rica utilizada fue resina poli�ster insaturada. Las fibras de guadua fueron obtenidas de la especie guadua andustifolia kunt por un proceso de desfibrado mec�nico y posteriormente fueron sometidas a un tratamiento qu�mico en hidr�xido de sodio. El material compuesto con una fracci�n de volumen de fibras constantes fue producido por m�todo manual en forma de l�mina a partir de las cuales se obtuvieron probetas normalizadas que a su vez fueron sometidas a ensayos de tracci�n flexi�n e impacto Charpy. [21]

[21] Caracterizaci�n mec�nica a flexi�n de materiales compuestos con matriz fotopolim�rica reforzados con fibras de abac� y cabuya mediante impresi�n 3d

La fabricaci�n de autopartes con la ayuda de los materiales compuestos y la realizaci�n de autopartes por impresi�n 3D, son una gran ayuda para lo cual se tiene como prop�sito determinar los materiales compuestos con elementos de matriz de resina fotopolim�rica las cuales son reforzadas con fibras naturales de lo que es abac� con cabuya para autopartes mediante la impresi�n 3D. Este m�todo de fabricaci�n de autopartes se utiliza en diferentes partes del mundo ya que este m�todo de fabricaci�n de piezas y autopartes son muy acogidas ya que se caracterizan por tener un peso ligero por sus costos bajos y por las excelentes propiedades ya que tambi�n se evita en una menor cantidad la reducci�n de emisiones contaminantes todo esto nos ayuda a tener un menor peso en el veh�culo lo que nos genera el ahorro de combustible, en lo que es la industria automotriz la utilizaci�n de los materiales compuestos se los puede utilizar en lo que ser�an las partes internas y externas de los veh�culos para lo cual se debe utilizar de forma adecuada las fibras naturales, con la ayuda de la impresi�n 3D se puede reducir los tiempos de fabricaci�n y el nivel de complejidad del desarrollo de las piezas fabricadas tambi�n ayuda con la reducci�n de los costos y producci�n lo cual ayuda a generar ganancias econ�micas. [22]

[22] Caracterizaci�n magn�tica de material compuesto con matriz de resina epoxi y llanta en desuso reforzado con magnetita en diferentes proporciones

La producci�n y demanda de veh�culos en lo que son pa�ses latinoamericanos ha aumentado la presencia de llantas usadas, lo cual ha provocado malestar tanto medio ambiental como en la salud publica producidas por la quema de llantas y el enterrado bajo tierra lo que se produce una gran cantidad de di�xido de carbono entre otras sustancias que provocan el cambio clim�tico y varios problemas de contaminaci�n, las llantas en desuso se le ha logrado extraer el caucho para ser molido y pulverizado para lo cual se ha hecho el uso de las part�culas de caucho de las llantas para la fabricaci�n de alfombras como aislantes de veh�culos y campos de juegos� con los materiales fabricados se puede obtener objetos de forma compleja con un buen acabado ante la corrosi�n ambiental la producci�n y caracterizaci�n magn�tica del material compuesto con base de resina epoxi y caucho pulverizado con magnetita en polvo, es un proceso para el cual se emplea resina epoxi como una matriz polim�rica, la cual necesita la ayuda de un catalizador en una cantidad adecuada con el objetivo de iniciar una reacci�n qu�mica que se obtiene un proceso curado, para lo cual se podr� obtener la fabricaci�n de los compuestos, la mezcla del catalizador y resina es reforzada con materiales tales como caucho pulverizado y magnetita pulverizada, los materiales fabricados se pueden utilizar en lugares donde sea visible [23]

[23] Desarrollo de carrocer�a aerodin�mica para monoplaza el�ctrico de la escuder�a ara de la Regional Antioquia en el marco de la formula SENA ECO 2013-2014

En la industria automotriz existen m�todos de mejora para las carrocer�as y chasis que existen, para ello se busca mejorar a diario en las investigaciones a tal punto de obtener un buen trabajo y desempe�o, siendo as� como en el presente trabajo presenta el desarrollo de la carrocer�a de un veh�culo monoplaza el�ctrico dise�ado bajo condiciones aerodin�micas especificas mediante modelado de elementos finitos y fabricado con materiales compuestos bajo la t�cnica de infusi�n de resina. Se obtuvo una carrocer�a de bajo peso que le proporciono al veh�culo una excelente aerodin�mica con lo cual se consigui� una excelente eficiencia y rendimiento para la participaci�n en la competencia formula SENA.

Num�ricamente, el coeficiente aerodin�mico (Cx) de la carrocer�a empleada (calculado desde el proceso de dise�o) fue de 0.37, valor que seg�n la bibliograf�a que se emple� representa un coeficiente bajo, mejorando as� el consumo de energ�a por la menor resistencia del aire frontal en veh�culos el�ctricos tipo formula. [24]

[24] Dise�o y construcci�n de una carrocer�a de un veh�culo de competencia formula SAE El�ctrico

Para la introducci�n a la construcci�n de una carrocer�a cabe recalcar que el reconocimiento de la necesidad de un dise�o es primordial ya que as� podemos afirmar que en la aerodin�mica de un veh�culo no representa cambios en la concepci�n de dise�os de veh�culos,� la carrocer�a y la aerodin�mica con la que fue construida en una competencia de f�rmula es esencial del tonoplasto debido a que est� hecha de forma geom�trica del veh�culo, adem�s de la parte est�tica, la funcionalidad y la potencia son los puntos m�s importantes ya que cada par�metro est� enfocado en la seguridad que la misma debe garantizar seguridad al conductor, ya que la carrocer�a al ser un elemento externo tiene mayor riesgo de sufrir aver�as se debe tener en cuenta los aspectos del dise�o, tanto como criterios mec�nicos, eficiencia aerodin�mica, criterios de seguridad, etapas de dise�o es decir pasos para la construcci�n y el requerimiento para el dise�o. La carrocer�a se fabric� en 2 capas de fibra de vidrio, con lo cual se obtuvo ligereza y resistencia para las pruebas din�micas la velocidad promedio en pista fue 60 km/h, en trabajos futuros se recomienda trabajar con fibra de carbono para reducir aun mas el peso total del veh�culo [25]

[25] Elaboraci�n de la fibra de cabuya en tejido plano como matriz de refuerzo para la construcci�n de un retrovisor

Las fibras naturales se han convertido en una excelente alternativa para usos industriales, esto se debe a su f�cil accesibilidad en mercado y es una materia prima renovable. El trabajo actual intenta utilizar la cabuya como material de refuerzo de la matriz poli�ster para aplicaciones automotrices a bajo costo y peso. Esta es la caja del espejo de un autom�vil para el que est� construido un molde b�sico. El espejo ser� aplicado y modelado sobre el molde utilizando fibra de cabuya y resina de poli�ster, la mezcla de octoato de cobalto y per�xido de metiletilcetona (MEKP) con fibra natural reduce significativamente el peso; los costes de producci�n se reducen en aproximadamente un 40 % gracias a la f�cil manipulaci�n y obtenci�n del hilo de este material Se recomienda el uso de alambre para aplicaciones automotrices (espejo retrovisor) ya que tiene Reducci�n significativa de peso y costo relativamente bajo en comparaci�n con el componente original. [26]

[26] Caracterizaci�n mec�nica del material compuesto de ���matriz yeso reforzado con fibras de ca�a de az�car

El presente trabajo fue realizado tomando en cuenta la caracterizaci�n mec�nica de los materiales compuesto de matriz y eso reforzado con tres diferentes porcientos m�sicos de fibra de ca�a de az�car���� , para generar una fibra hibrida m�s ligera y resistente con el objetivo de su posible utilizaci�n en la fabricaci�n de elementos en varias industrias entre ellas la automotriz. Los an�lisis se desarrollaron a trav�s de ensayos de resistencia a compresi�n y flexi�n, estas son las pruebas mec�nicas fundamentales para tener en claro las prestaciones que pude brindar las fibras. La�� �resistencia a tracci�n fue calculada a partir de los resultados del ensayo a flexi�n. Con los resultados obtenidos fue posible afirmar que existe una gran aportaci�n de los porcientos de fibra de ca�a de az�car en la mejor�a de las propiedades mec�nicas de la fibra del material compuesto, las muestras fueron reforzadas con un 2 % estas fueron las que presentaron las mejores propiedades, y as� poder tener en cuenta para sus aplicaciones. Finalmente se realiz� la comparaci�n de los resultados obtenidos y se obtuvieron propiedades similares a otros compuestos vegetales similares. [27]

[27] Estudio comparativo de las propiedades mec�nicas de fibras de vidrio y queratina.�

Este trabajo estudia el potencial y la utilizaci�n de fibras naturales de queratina como remplazo de las fibras sint�ticas tradicionales. Se presenta un estudio comparativo de las caracter�sticas morfol�gicas y mec�nicas de fibra de vidrio y queratina detallando los resultados de caracterizaci�n dimensional morfol�gica y queratina detallando los resultados de caracterizaci�n dimensional morfol�gica de densidad y resistencia mec�nica de los dos tipos de fibra considerados�

Se encontr� que las fibras de queratina poseen unas propiedades mec�nicas que pueden llegar a ser adecuadas para la utilizaci�n como material de refuerzo para materiales compuestos, presentando una relaci�n resistencia y densidad pr�xima a las que poseen las fibras de vidrio, los materiales compuestos se desarrollan b�sicamente adicionando fibras o part�culas a una matriz definida que pueden ser met�licas polim�ricas o cer�micas. La denominaci�n de reforzados con fibras tradicionales se fabrica utilizando fibras de vidrio de carbono o aramida.� [28]

[28] Compuestos laminados de matriz polim�rica reforzados con fibras naturales: comportamiento mec�nico

Esta investigaci�n de sistematizaci�n del estado actual del conocimiento aplicado se presenta como varias de ideas, a las que subyace el concepto de naturaleza multi-escalar del comportamiento mec�nico de los materiales compuestos. En el transcurso se deja ver el rol de las t�cnicas de caracterizaci�n mec�nica y microsc�pica en la construcci�n de conocimiento sobre el tema. En cuanto al inter�s local para promover la utilizaci�n de PRFN en aplicaciones estructurales, en particular la elaboraci�n de productos competitivos, los m�todos actuales de an�lisis en ingenier�a deben vincularse al dise�o mec�nico como medio de agregaci�n de valor. Aunque en este documento se dio cuenta de lo relacionado con el dise�o del producto, un aspecto esencial que se sugiere sea sistematizado en este mismo sentido es el del proceso de manufactura �[29]

En la Figura 2 se puede observar el resultado de la revisi�n en donde se muestra en porcentajes los materiales compuestos utilizados en base a las publicaciones encontradas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Porcentajes de fibras empleadas en el estudio

A continuaci�n, en la Tabla 5 se muestran las caracter�sticas principales de los materiales compuestos encontrados en los estudios

Tabla 5. Caracter�sticas Materiales Compuestos

 

2.  CONCLUSIONES

Se ha realizado una revisi�n amplia de que ocurre con los diferentitos materiales compuestos en fibra que se deben usar una variedad de materiales y brindar informaci�n a la comunidad acad�mica. Se destacan los siguientes aspectos:

La fibra puede ser utilizas con materiales renovables, con estos materiales se puede brindar calidad en los trabajos realizados y reducir efectos que ocasionan da�o al medio ambiente no ha sido una tarea nada f�cil para los investigadores, a pesar que obtuvieron mucho �xito en sus diferentes experimentos en realizar fibra con materiales compuestos como son Fibras vegetales, Fibras de bamb�, Fibra de vidrio, Cenizas volantes, Bagazo de baja densidad, Fibras de banano de la corteza.

Se determin� las cantidades optimas de resina y poli�ster, fibra de vidrio, fibra de ca�a guadua mediante un proceso experimental combinado con diferentes cantidades de estos componentes tomando en cuenta su peso, acabados su resistencia, su consistencia y a la vez tratando que estos sean amigables con el ecosistema.

En los diferentes componentes reforzados de los materiales compuestos en estudio concluimos que la fibra de vidrio es uno de los materiales m�s r�gido y reforzado ya que est�n constituidos por diferentes capas y etapas de su construcci�n pudiendo deducir su elasticidad la cual supera el 17.43%

Los composites analizados se determinaron que son m�s r�gidos y m�s resistentes a cargas, entre m�s cantidad de fibra se coloque en su composici�n. A su vez son m�s fr�giles ya que entre m�s fibras contenga se hace muy resistente a una deformaci�n para poder determinar la diferencia de valores entre la carga �ltima es 9.75% entre composite reforzado con el 20% y el 15% de fibra de ca�a guadua, y del 13.24% entre el composite reforzado con 20% y 10% de fibra con estas cantidades podemos concluir que el composite m�s resistente es el reforzado con una fracci�n volum�trica del 20% de fibra de ca�a guadua. �

 

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� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).