Efectos del proceso de inyección en las propiedades mecánicas de polímeros amorfos

Abstract

Los esfuerzos residuales inducidos en el procesamiento por inyección de piezas termoplásticas pueden afectar significativamente el comportamiento mecánico de un componente, al generar alabeos o iniciar grietas y de laminación de partes compuestas (Osswald, 2010). Adicional a las propiedades mecánicas, otro efecto importante de los esfuerzos residuales son el deterioro de las propiedades ópticas del material, ya que los esfuerzos residuales cambian el índice de refracción del material, generando una distorsión óptica, afectando la apariencia de productos como las botellas y ventanas, así como el desempeño de piezas como lentes plásticos y discos compactos. Es por este motivo que la predicción precisa de esfuerzos residuales es importante tenerla en cuenta en el diseño de piezas termoplásticas inyectadas. Algunas aplicaciones de especial importancia en los efectos de los esfuerzos residuales en el material, contemplan por ejemplo las uniones estructurales entre materiales termoplásticos y metales, ya que un nivel alto de esfuerzos residuales son generados en la interface polímero-metal, influyendo en su resistencia y durabilidad (Erdmann & Holzleitner, 2007; Ramani & Zhao, 1998). Los agrietamientos que generan las tensiones residuales, son propagados al exponerse a ambientes o ciertas sustancias químicas, falla conocida como “environment stress cracking, (ESC)”, muchos tipos de productos plásticos fallan por este tipo de agrietamiento, algunos estudios se han realizado para medir el efecto de materiales como el policarbonato y el acrilonitrilo butadieno estíreno (ABS) con el ESC en combinación con la aplicación de pequeñas cargas fluctuantes, y la forma de minimizar la falla al someter la pieza a tratamientos térmicos ( a. . Maxwell & Turnbull, 2004). Los dispositivos electrónicos flexibles son recubiertos con plásticos para elaborar sustratos conductivos flexibles, ya que las películas plásticas presentan un estado de esfuerzos residuales es conveniente medir estos esfuerzos mediante técnicas de fotoelasticidad para minimizarlos (Lee, Liu, Wu, & Lin, 2012). En el diseño de piezas termoplásticas en muchos casos el desempeño mecánico de estas piezas es importante predecirlo para diferentes aplicaciones. Existen en el mercado diferentes paquetes de software que permiten evaluar el nivel de esfuerzos que se generan en una pieza termoplástica al ser sometida a una carga o fuerza externa de diferentes tipos (cargas estáticas, de impacto, fatiga, pandeo, entre otros) (Ansys, 2011; “NX - Simulation - Structual Analysis - large,” 2013; Systemes, 2013), teniendo en cuenta las características de la estructura molecular del polímero y sus propiedades macroscópicas (Meijer & Govaert, 2005). De igual forma para el proceso de inyección de piezas termoplásticas se encuentran disponibles herramientas computacionales que permite predecir y optimizar el proceso de inyección (Moldex3D, 2014; Moldflow, 2014; SigmaSoft, 2014; Simcom, 2014). En el diseño de una pieza termoplástica inyectada es importante conocer el estado de esfuerzos residuales generados en la pieza, durante el proceso de flujo y de enfriamiento del ciclo de inyección. Esto es posible cuantificarlo con las herramientas de cómputo de inyección citadas, con base en las condiciones del proceso de inyección (Altan & Yurci, 2010; Ozcelik et al., 2010; Sánchez, Aisa, Martinez, & Mercado, 2012; Tsai, Hsieh, & Lo, 2009), para diferentes geometrías específicas (Kansal, Rao, & Atreya, 2001; Wang & Young, 2005), diferentes configuraciones de molde y materiales (Hassan, Regnier, Pujos, & Defaye, 2009; Tutar & Karakus, 2010; Xie, Guo, Jiao, Ding, & Yang, 2014), y diferentes polímeros a inyectar (Azaman, Sapuan, Sulaiman, Zainudin, & Khalina, 2014; Ozcelik & Sonat, 2009) . Mediante el desarrollo del presente proyecto se determinará el efecto de las tensiones internas generadas en el proceso de inyección, de un molde del laboratorio de polímeros destinado a inyectar probetas estandarizadas para ensayos de tensión ASTM 638. De esta forma, se verificará cual es el efecto de las condiciones de proceso de inyección en la resistencia mecánica final de la probeta inyectada y sometida a pruebas de tensión en la máquina universal de ensayos. Esto permitirá determinar si el efecto de la inyección de las probetas estandarizadas afecta el ensayo de tensión ASTM 638.