Pruebas de impacto de caída de peso Instrumentado : ¡Mayor comprensión en una fracción del tiempo!

Una mayor comprensión de la resistencia al impacto de los polímeros y compuestos conduce a la innovación de materiales y aplicaciones en una amplia variedad de industrias. Junto con la garantía de calidad y los datos de referencia estándar, las pruebas de impacto también proporcionan una comprensión fundamental de la estructura de los materiales y permiten la evaluación en relación con la función de uso final.

Análisis de impacto avanzado

El análisis avanzado de impactos es ahora más fácil que nunca gracias a sistemas como el Comprobador Instrumentado de Impactos de Masa de caída libre de Ray-Ran (RR-IFWT), con su potente software tupDAQ®. Utilizando la tecnología fundamental de sensores de fuerza y velocidad, un evento de impacto se puede identificar y definir automáticamente, y se puede calcular una gama extremadamente amplia de puntos de datos y valores medibles en un instante. En el caso del RR-IFWT, hay 47 valores medibles disponibles para los usuarios, que van desde parámetros típicos como energía máxima , energía total y fuerza máxima , hasta puntos de cursor personalizados seleccionados de gráficos escalables que permiten a los usuarios evaluar características de curvas específicas.

Para cualquier aplicación que utilice piezas críticas para el servicio, la prueba de impacto es una actividad imperativa ya que las condiciones simuladas de alta velocidad de deformación que proporciona la prueba no se pueden replicar a través de ningún otro medio de prueba mecánica. Una mejor comprensión de las propiedades de impacto conduce a la mejora de las tolerancias de diseño y una mayor comprensión de la idoneidad de los materiales para una aplicación determinada.

El probador de impacto de caída de peso Instrumentado Ray-Ran

Por ejemplo, los materiales laminados de epoxi de fibra de grafito con resistencias a la tracción y a la flexión extremadamente altas tienen una excelente idoneidad para estructuras aeroespaciales, como paneles de aeronaves de superficie exterior, así como paneles de carrocería de automóviles y turbinas eólicas, debido a sus altas propiedades ‘específicas’. Sin embargo, incluso los impactos a baja velocidad, como cuando alguien pisa el componente, pueden introducir defectos interlaminares ocultos que pueden comprometer la integridad de la estructura de uso final. Esto podría significar que el material no se puede utilizar en todo su potencial de tracción o flexión sin que primero se mejoren las propiedades de impacto. Esto no solo es importante para la seguridad, sino que también permite el desarrollo en áreas como el peso ligero y el diseño de productos, todos aplicables a las industrias automotriz y aeroespacial, así como a la energía, la construcción y la fabricación.

Innovación a partir de pruebas de impacto

Este potencial de innovación en la fabricación de componentes se deriva de las pruebas de impacto que a menudo brindan las mejores condiciones representativas para el uso final de una estructura o las condiciones del ‘peor escenario’ que se espera que soporte una estructura. Por lo tanto, tiene el potencial de ser la prueba más importante para el desarrollo de la aplicación dada de una empresa.

A través de las pruebas de impacto, los materiales utilizados en los componentes de la carrocería del automóvil se pueden optimizar para proporcionar la mejor combinación de absorción de energía y resistencia al impacto.

Con el uso cada vez más amplio de polímeros y compuestos para aplicaciones avanzadas, solo a través de la instrumentación de impacto se puede lograr un análisis adecuado para mantener el ritmo actual de innovación de componentes y materiales.

Entonces, ¿desde dónde se ha desarrollado esta tecnología? El método más frecuente para evaluar la resistencia al impacto de un material en la industria y la academia siempre ha sido por medio de un proyectil que cae golpeando una placa plana, sostenida solo por sus bordes. El valor de resistencia al impacto alcanzado, también conocido como resistencia al impacto, se relaciona con la cantidad de energía absorbida por el material a través de la deformación o el daño durante el impacto.

La cabeza de impacto, conocida como ‘TUP’, presenta una punta delantera, específica para el estándar de prueba que se está cumpliendo, que está conectada a celdas de carga extensométricas de una clasificación específica adecuada para la energía de impacto.

Históricamente, esto significa que la cifra crucial es, por lo tanto, la energía de impacto más baja que causará una falla catastrófica en una muestra de prueba (o la energía promedio requerida para romper la muestra). Siendo este el caso, la resistencia al impacto generalmente se determina a través de un método de ‘escalera’. El método de ‘escalera’ implica realizar repetidamente caídas sobre la muestra con aumentos o disminuciones graduales en la masa de dop o la altura de caída, aumentando o disminuyendo así la fuerza y la energía del impacto. Con un nuevo espécimen que se usa para cada gota, un impacto que no resulta en falla es seguido por un impacto de mayor energía. De manera similar, los impactos que resultan en la falla del espécimen son seguidos por impactos de energía progresivamente menor. Después de una gran cantidad de iteraciones, se puede calcular la energía de impacto promedio que provoca la falla de la muestra, lo que le brinda la resistencia al impacto del material.

El método de la escalera es una opción válida para determinar un resultado general, pero hace poco para describir la intrincada relación de los parámetros integrales que definen un impacto: estos son el tiempo y el desplazamiento, que dan lugar a la velocidad y la fuerza y el desplazamiento, que dan lugar a la energía. Los diferentes tipos de materiales se comportan de manera completamente diferente bajo impacto, y solo a través de la medición de la velocidad y la fuerza (y, por lo tanto, los otros parámetros mencionados) se pueden modelar los comportamientos característicos de ciertos materiales. Como resultado, la prueba de impacto Instrumentado ha aumentado su popularidad en el transcurso de la última década y es reconocida como una técnica de investigación avanzada por varios estándares de prueba internacionales, incluidos ASTM D7136, ASTM D3763-02 e ISO 6603 .

Aquí la pantalla de prueba del software tupDAQ ® muestra histéresis en la lectura de fuerza roja después de una prueba. Esto significa que existe una relación no lineal entre el desplazamiento y la fuerza, lo que indica que el material absorbe energía a través de la deformación plástica durante el impacto. Debajo de la pantalla gráfica hay una tabla personalizable que proporciona varios resultados numéricos de la prueba.

Para dar un ejemplo de cómo se interrogaría más un impacto con instrumentación, podemos comparar un material metálico rígido con un polímero. El desplazamiento máximo de la muestra de metal ocurriría de manera coincidente con la fuerza máxima de impacto. Por otro lado, el comportamiento típico de un material polimérico sería absorber energía en el transcurso del desplazamiento, debido a la viscoelasticidad característica del material. Esto se evidencia por la histéresis en la curva de fuerza frente a desplazamiento del material, lo que significa que el desplazamiento máximo no ocurre al mismo tiempo que la fuerza máxima, sino que ocurre cuando se ha absorbido la cantidad máxima de energía. Para algo como un componente de parachoques de automóvil, los investigadores buscarían separar los puntos de fuerza máxima y desplazamiento máximo tanto como sea posible, sin reducir la resistencia al impacto general requerida del material. Esto significaría que el componente puede absorber la energía de un impacto de manera más efectiva sin llegar al punto de falla catastrófica.

Para cada gota, hay condiciones conocidas. Estos incluyen la masa del proyectil, la altura desde la que se deja caer y la aceleración bajo la gravedad. Por lo tanto, la única instrumentación necesaria para completar el sistema y proporcionar datos para los cinco parámetros que definen el impacto (tiempo, fuerza, velocidad, desplazamiento y energía) son los sensores de fuerza y velocidad en el punto de impacto. Para medir la fuerza, se utilizan células de carga con galgas extensiométricas en el cabezal de impacto. Para la velocidad, se utiliza un bloque detector que lee la velocidad de una ‘bandera’ conectada al conjunto que cae. Solo con estos sensores, se registra una amplia gama de datos. Luego, la información está sujeta a algoritmos de reducción de datos que proporcionan automáticamente un conjunto de datos resultante preciso y utilizable, con una intervención mínima del usuario.

El sistema mecánico, que consta del portamuestras, los rieles de guía y el conjunto de caída, se conecta al software basado en computadora tupDAQ a través de un registrador de datos y una caja de acondicionamiento de señales. La caja toma las lecturas instantáneas del sensor de fuerza y el sensor de velocidad y procesa la información para identificar el evento de impacto y reducir los datos a un tamaño manejable para la salida.

Un sistema que puede proporcionar acceso instantáneo a una variedad tan amplia de cálculos, con una Resolución en el rango de las ^milésimas de milisegundo, ahorra incontables horas de esfuerzo al eliminar el coste de tiempo que supondría reajustar físicamente el sistema para las repetidas caídas que de otro modo serían necesarias, y al automatizar los largos cálculos y cómputos a partir de los datos de prueba que serían necesarios para conseguir el mismo resultado. Cuando se ahorra tiempo, se acelera el proceso de desarrollo e innovación, y en el caso de las pruebas de impacto de caída de peso Instrumentado , esto no podría ser más evidente.

Pruebas de impacto con Industrial Physics

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