Calificación de la construcción ligera mediante tomografía computarizada

Fig. 1: El KUZ cuenta con el tomógrafo computarizado (TC) Werth TomoScope® XS.

Fig. 2: Tomografía computarizada de un compuesto de fibra larga de PP. Las elipses rojas muestran la distribución de orientación de las fibras. Para ello, se dividió el grosor de la muestra de 2 mm en 10 capas. La flecha azul indica la dirección del flujo durante el moldeo por inyección. / Fig. 3: A partir de la tomografía computarizada de la muestra de fibra larga de PP, aquí se seleccionan las fibras. Esto permite, entre otras cosas, determinar la proporción local de volumen de fibra.

Fig. 4: En esta sección longitudinal de una muestra PA6GF30 se muestran la distribución de densidad, la estructura de burbujas y la orientación de las fibras (de izquierda a derecha).

Fig. 5: izq.: nube de puntos (archivo STL); der.: medición precisa (desviación aprox. 3 µm)

Fig. 6: Conexiones de remaches con diferentes formas de cabeza de remache. Poros en la cabeza del remache (izquierda). Grietas de unión en la zona de contacto entre la cabeza del remache y la chaveta (centro y derecha).

Los plásticos son materiales predestinados para aplicaciones de construcción ligera. Para aprovechar al máximo el efecto de ligereza del material, es necesario hacer que sus potenciales sean utilizables de manera dirigida.

Las propiedades mecánicas dependen de la dirección. La orientación de las fibras juega un papel muy importante. En el moldeo por inyección de espumas termoplásticas (TSG), además, las diferencias locales, como la densidad y la geometría de las burbujas, son importantes para el comportamiento mecánico de la pieza moldeada. Teniendo esto en cuenta, se pueden generar piezas moldeadas muy ligeras y resistentes a la flexión. Para entender mejor las influencias y relaciones en el proceso TSG, el Centro de Plásticos en Leipzig (KUZ) investiga las piezas moldeadas mediante tomografía computarizada (CT). Con esta técnica, se pueden representar y evaluar en detalle las fibras, las burbujas y la distribución de densidad de las piezas moldeadas.

Siguiendo la pista de las fibras

Con la ayuda de un CT potente (TomoScope® XS de Werth) y un software de análisis de última generación (Avizo de FEI), las exploraciones CT, con una resolución de 2 µm, se pueden seleccionar y medir en los componentes de las piezas escaneadas. De esta manera, por ejemplo, se puede determinar la orientación de las fibras y su proporción volumétrica. En la Figura 2 se muestra un escaneo de una muestra de fibra larga de polipropileno. En ella, las fibras se ven en tonos de gris claros, y la matriz de polipropileno en tonos oscuros.

La muestra se dividió en 10 capas de igual grosor a lo largo de los 2 mm de espesor. En cada capa, se determinó la orientación de las fibras con Avizo y se representó con un elipsoide rojo. La mayor dimensión del elipsoide indica la dirección preferente media de las fibras. Las otras dos dimensiones del elipsoide son perpendiculares a esta dirección preferente. Cuantas más fibras estén orientadas en una dirección, más larga será esa dimensión. Si teóricamente todas las fibras estuvieran alineadas en la misma dirección, el elipsoide se convertiría en una línea. Si las fibras están distribuidas uniformemente en todas las direcciones espaciales, el elipsoide será una esfera.

La flecha en la Figura 2 indica la dirección del flujo. Se puede observar que, típico en moldeo por inyección, las fibras en la zona de borde (zona de cizalladura) se orientan preferentemente en la dirección del flujo, y las fibras en el centro, perpendicular a ella. En la Figura 3, las fibras están seleccionadas como volumen. Esto permite determinar localmente la proporción de volumen de fibras y tener en cuenta también las diferencias dentro de la pieza moldeada.

Examinando el espuma con lupa

Las piezas moldeadas por TSG se caracterizan por capas exteriores compactas y un núcleo con estructura de espuma. Como resultado, estas piezas tienen una alta rigidez a la flexión en relación a su peso. En la Figura 4, se visualizan las tres propiedades estructurales más importantes. Se muestra una sección longitudinal de un poliamida 6 con un 30 % de fibras cortas de vidrio. En la parte superior e inferior se pueden ver las capas exteriores compactas, y en medio, el núcleo de espuma. A la izquierda, en la Figura 4, se representa la densidad. Los tonos de gris claros indican áreas de alta densidad en las capas exteriores. Los tonos de gris oscuros corresponden a áreas de baja densidad en la zona de espuma. En el centro, en la Figura 4, se seleccionaron las burbujas. La geometría de cada burbuja puede medirse y procesarse individualmente. Finalmente, a la derecha, se muestra la visualización de la distribución de la orientación de las fibras, como se describió anteriormente.

Con esta información, por ejemplo, se puede realizar una comparación con los resultados de simulaciones de inyección. Además, se pueden calificar simulaciones mecánicas con propiedades de material anisotrópicas, es decir, dependientes de la dirección.

Otros potenciales de la tomografía computarizada

Además, la CT permite investigar otras cuestiones importantes en la tecnología de plásticos. Al igual que en el análisis de burbujas y fibras, también se pueden estudiar aditivos funcionales, como partículas metálicas.

Gracias a la inspección sin contacto y sin destrucción, la CT permite la medición 3D de contornos externos y internos inaccesibles, el control de posición en conjuntos, así como la comparación entre el modelo CAD y la pieza real. La Figura 5 muestra un engranaje en el que se han medido las secciones relevantes.

También en el análisis de fallos, la CT demuestra sus ventajas. Es posible detectar inhomogeneidades como poros, cavidades, grietas o costuras de unión. Con el amplio conocimiento del KUZ, se pueden derivar estrategias para corregir los errores y mejorar los procesos.