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Ensayo de rayado en estructuras bicapa
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Ensayo de rayado en estructuras bicapa

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Presentación para el 40º Congreso de Investigación y Desarrollo del Tec de Monterrey, 2010. Se muestra un completo ensayo de materiales denominado "scratch-test", que para los polímeros es …

Presentación para el 40º Congreso de Investigación y Desarrollo del Tec de Monterrey, 2010. Se muestra un completo ensayo de materiales denominado "scratch-test", que para los polímeros es relativamente nuevo y permite conocer la resistencia al rayado y al rasgado de los materiales.

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  • 1. Ensayo de rayado de los componentes plásticos bicapa rígido-flexibles usados en el diseño de electrodomésticos y herramientas tipo “soft-touch” Alberto Rosa Sierra, Dr.1 Francisco J. González Madariaga, Dr.2 Revista del Doctorado Interinstitucional en Arquitectura, Diseño y Urbanismo (DADU) 1 LDI, ITESM Campus Guadalajara 2 Cuerpo Académico 381_Innovación tecnológica para el diseño Universidad de Guadalajara
  • 2. Introducción Los materiales plásticos son relativamente blandos superficialmente o presentan poca dureza superficial, por lo que pueden ser fácilmente rayados. Las rayaduras en las superficie de las piezas de plástico reducen la estética de las mismas, además de actuar como concentrador de tensiones, lo que puede inducir a fallas prematuras en dichas piezas. Para conocer la resistencia al rayado se ha desarrollado el denominado scratch test, o ensayo de rayado.
  • 3. adhesión que presenta las muestras de placas realizadas en compresión cuyo valor se encuentra ligeramente por encima de las realizadas por inyección. Este alto nivel se debe a que durante la sobreinyección, la fuerza ejercida por el TPU sobre Materiales el MABS es lateral, ya que así es el flujo de inyección del material, mientras que en la compresión la fuerza que ejerce el TPU sobre el MABS es transversal, siendo ésta última disposición más efectiva. (Figura 4.36) a b El material seleccionado para fungir como sustrato es un copolímero MABS (Metilmetacrilato-Acrilonitrilo-Butadieno- Estireno), denominación comercial Terlux 812 TR de BASF. Como recubrimiento elastomérico se ha empleado un TPU denominación comercial Pearlthane D15N70. Para la obtención de Figura 4.36 Diferencia en la aplicación de la presión de sobreinyección (a) vs. probetas se inyectaron presión de compresión (b). placas de 10x10 cms de 2mm de espesor, sobre-inyectando el TPU de temperaturas espesor. rugosidades iguales, las Siendo las 1mm de de proceso y diferencias se encontraron en los tiempos de contacto y presiones aplicadas. En un caso el tiempo de contacto es muy corto (>0.5 seg) mientras la presión es muy elevada. Esto nos lleva a pensar que el valor de adhesión alcanzado es el máximo que puede conseguirse con estos materiales en las condiciones descritas, hecho que se corrobora por el carácter de fractura de adhesión que es del tipo cohesiva.
  • 4. 2.5.1 Principio en el que se basa el ensayo El ensayo de rayado consiste en la aplicación de una carga sobre la superficie de un determinado material. (Figura 2.15) Esto es logrado presionando una punta de un material muy duro sobre Descripción del ensayo la superficie del material a ensayar. Al tiempo que la muestra es desplazada a una velocidad constante, las tensiones resultantes en la interfase causan marcas y escoriaciones en el recubrimiento. El punto de inicio de fractura se denomina carga crítica (Lc). A partir del análisis de las marcas dejadas por el indentador y de la fuerza aplicada, es posible conocer propiedades y características del material ensayado como: el El ensayo de rayado consiste en la aplicación deelástico, la tensión a la cedencia o el coeficiente de módulo una carga sobre la superficie de un determinado material. fricción. Carga normal FN Al tiempo que la muestra es desplazada a Sensor de penetración una velocidad constante, las tensiones Soporte del indentador Detector de emisión acústica resultantes en la interfase causan marcas y escoriaciones en el recubrimiento. Rayado tangencial FT El punto de inicio de fractura se denomina carga crítica (Lc). A partir del análisis de las marcas dejadas por el indentador y de la fuerza aplicada, es posible conocer propiedades y características del material ensayado como: el módulo elástico, la Movimiento de la muestra (dx/dt) tensión a la cedencia o el coeficiente de fricción. Figura 2.15 Representación esquemática de un ensayo de scratch El método de rayado y otros tipos de ensayos para conocer la
  • 5. Respuesta dúctil Excedente de material a ambos lados del rayado “Proa” de material al frente del indentador MABS/ABS TPU Respuesta elastomérica Formación de crestas debido al flujo visco-elástico TPU MABS Marcas de rayado intermitente Adelgazamiento elástico y en la dirección del rayado fluidez del material debido a la fuerza del indentador
  • 6. MABS Huella del ensayo de carga progresiva sobre el MABS (Placa de inyección), con los característicos bordes bien definidos. La flecha indica la dirección del ensayo. Figura 4.73 Huella del ensayo de carga progresiva sobre el MABS (Placa de
  • 7. del ensayo. MABS Huella del ensayo de carga progresiva sobre el MABS Figura 4.74 Huella del ensayo de carga progresiva sobre el MABS (Líneacon proa al frente del indentador. (Línea de extrusión), de extrusión), con proa al frente del indentador. 185
  • 8. TPU 50 µm Huella del ensayo de rayado sobre el del ensayo de rayado sobre el TPU con MABS de base (dirección Figura 4.78 Huella TPU con MABS de base (dirección del ensayo en sentido transversal al flujo de transversal al flujo de extrusión, TD), se pueden apreciar del ensayo en sentido extrusión, TD), se pueden apreciar claramente las características olas en dirección del ensayo. La flecha señala la claramente las características olasensayo. dirección del en dirección del ensayo. La flecha señala la dirección del ensayo.
  • 9. TPU Huella del ensayo de rayado sobre el TPU con ABS de base (dirección del ensayo en sentido longitudinal al flujo de extrusión, MD), mostrando las olas en la dirección del ensayo. Figura 4.79 Huella del ensayo de rayado sobre el TPU con ABS de base (dirección
  • 10. Curvas de profundidad residual Profundidad MABS TPU F max (N)
  • 11. Resultados y discusión Recuperación de la profundidad de penetración durante el ensayo de carga progresiva para los componentes de las estructuras bicapa.
  • 12. Resultados y discusión 100 95 profundidad de penetración (%) 90 Recuperación de la 85 80 75 70 65 60 PE PE T PE PP ,6 AB S B S TP U LD HD lon6 MA Ny Valores de recuperación de la penetración en unaen una variedad de polímeros Figura 4.83 Valores de recuperación de la penetración variedad de semi-cristalinos estudiados previamente y comparativa con los materiales polímeros semi-cristalinos estudiados previamente y comparativa empleados en las estructuras bicapa. (FN=15N). [Xiang, 2000] con los materiales empleados en las estructuras bicapa. (FN=15N). [Xiang, 2000] Cálculo de la dureza de rayado (Scratch hardness)
  • 13. MABS 596.44µm 85.53µm Corte transversal en SEM de la huella de indentación, con las medidas utilizadas para el cálculo de Hs. Indentador esférico, carga 60N.
  • 14. TPU MABS Corte transversal de la huella de ensayo de rayado de carga progesiva sobre el TPU sobre ABS, indentador esférico, carga 0-70N. La flecha indica la dirección del rayado.
  • 15. Cálculo de la dureza de rayado MABS Hs= 215 MPa ABS Hs= 210 MPa
  • 16. Conclusiones Como se pudo comprobar la adhesión lograda en el sistema bicapa es bastante buena, ya que, aún en cargas elevadas (>60N) no se observa desprendimiento del recubrimiento. Por otra parte el TPU elegido presenta una buena respuesta a recuperación residual, por lo que, su aplicación como estructura bicapa en un producto nos permitirá una suavidad cómoda al agarre gracias a su dureza (Shore 72A), a la vez que resistiría fácilmente rayaduras y desgarros. Como diseñadores y desarrolladores de productos debemos explorar todas las posibilidades de aplicación y desempeño de los materiales en los diferentes objetos cotidianos. El uso de estructuras bicapa puede hacer de la experiencia de uso de un objeto cotidiano, algo placentero, seguro y cómodo.