Efectos de la distribución de fibra y tratamientos térmicos en el comportamiento interlaminar de termoplásticos reforzados con fibra continua impresos.

Abstract

Los materiales compuestos reforzados con fibra continua impresos en 3D corresponden a una tecnología en desarrollo, los cuales, si bien cuentan con las propiedades de objetos fabricados en 3D, y materiales compuestos, también tienen ciertas desventajas, donde la principal corresponde a la cantidad de vacíos que se generan. Estos vacíos, de acuerdo con la literatura, afectan a las propiedades mecánicas tanto en el plano como fuera del plano. Sin embargo, se pueden reducir variando la distribución de refuerzo continuo, y realizando tratamientos térmicos. En el presente trabajo se realizan ensayos mecánicos para evaluar 3 diferentes laminados, los cuales corres-ponden al caso en que hay 1 capa de refuerzo seguida de 1 capa de matriz, al caso en el que hay 2 capas de refuerzo y 2 capas de matriz, y al caso en el que hay 3 capas de refuerzo y de 3 de matriz. También se realizan tratamientos térmicos, los cuales consisten en exponer probetas a temperaturas de 100, 150, 175, y 200 °C durante 1, 3, 6 y 8 horas para cada temperatura, mediante un horno eléctrico tubular. Se analizan los cambios de masa, cambios dimensionales, y se analizan los vacíos mediante la toma de micrografías para los diferentes casos. La metodo-logía utilizada consiste en que en primera instancia se definen los tipos de distribuciones de refuerzos de fibra mediante una extensa revisión de la literatura, luego se realizan los ensayos definidos, después se analizan estos resultados para seleccionar el mejor laminado, y finalmente se definen y realizan los tratamientos térmicos a las horas y temperaturas señaladas. Los ensayos mecánicos realizados corresponden al ensayo de tracción fuera del plano, compresión fuera del plano, y flexión de viga corta, obteniendo los mejores resultados con el caso de 3 capas de refuerzo seguidas de 3 capas de matriz, con una resistencia a la tracción interlaminar de 9.10 MPa, resistencia al corte interlaminar de 19.27 MPa y resistencia a la fluencia en compresión fuera del plano de 38.36 MPa. Se obtiene que el mejor caso corresponde al de 175°C durante 6 horas, generando un aumento de 145% en el ensayo de flexión de viga corta con respecto al caso con el laminado más desfavorable y sin tratamiento térmico. Se observa que a medida que aumentan las horas y las temperaturas se genera una mayor disminución de masa, llegando hasta una disminución del 3.35%, y también se observa una variación dimensional despreciable en todos los casos. Las micrografías observadas muestran una disminución del 5% en los vacíos, con respecto a las probetas sin tratamiento térmico y también una disminución visible en los bordes de las probetas debido al tratamiento térmico.

3D printed continuous fiber reinforced composite materials correspond to a developing technology, which, although they have the properties of 3D manufactured objects, and composite materials, also have certain disadvantages, where the main one corresponds to the number of voids that are generated. These voids, according to the literature, emerge to both in-plane and out-of-plane mechanical properties. However, they can be reduced by varying the distribution of continuous reinforcement, and by performing heat treatments. In the present work, mechanical tests were carried out to evaluate 3 different laminates, which correspond to the case in which there is 1 reinforcement layer followed by 1 matrix layer, to the case in which there are 2 reinforcement layers and 2 matrix layers, and to the case where there are 3 reinforcement layers and 3 matrix layers. Thermal treatments are also carried out, which consist of exposing specimens to temperatures of 100, 150, 175, and 200 °C for 1, 3, 6, and 8 hours for each temperature, using a tubular electric furnace. Mass changes, dimensional changes, and voids are analyzed by taking micrographs for the different cases. The methodology used consists of firstly defining the types of fiber reinforcement distributions through an extensive review of the literature, then carrying out the defined tests, then analyzing these results to select the best laminate, and finally defining and perform heat treatments at the times and temperatures indicated. The mechanical tests carried out correspond to the out-of-plane tensile test, out-of-plane compression, and short beam bending, obtaining the best results with the case of 3 layers of reinforcement followed by 3 layers of matrix, with an interlaminar tensile strength of 9.10 MPa, interlaminar shear strength of 19.27 MPa and yield strength in out-of-plane compression of 38.36 MPa. It is obtained that the best case corresponds to 175°C for 6 hours, discovering an increase of 145% in the short beam bending test with respect to the case with the most unfavorable laminate and without heat treatment. It is observed that as the hours and temperatures increase, a greater decrease in mass is generated, reaching a decrease of 3.35%, and a negligible dimensional variation is also observed in all cases. The observed micrographs show a 9% decrease in voids, with respect to the specimens without heat treatment and a visible decrease in the edges of the specimens due to heat treatment.