Caracterización del comportamiento al desgaste abrasivo de tres cuerpos en materiales fabricados aditivamente con fibras continuas de carbono

Abstract

El objetivo de esta tesis de maestría es caracterizar el comportamiento al desgaste abrasivo de tres cuerpos en materiales fabricados aditivamente con fibras continuas de carbono. Para ello, se utiliza un tribómetro de rueda de caucho y arena seca bajo la norma ASTM G65. Los materiales seleccionados incluyen Nylon y Onyx® reforzados con fibra continua de carbono, escogidos por sus propiedades mecánicas proporcionadas por el fabricante de la impresora Markforged y por su amplia aplicación en la industria. Se realiza un diseño de experimentos completamente al azar (DCA) para analizar los resultados de las pruebas de desgaste respecto a la orientación de las fibras de refuerzo (0°, 90°, 45°-135°, isotrópica y sin fibra). Se observa que la adición de fibras continuas de carbono mejora significativamente la resistencia al desgaste de las probetas reforzadas, independientemente de su orientación, lo que se corrobora mediante resultados de ANOVA y pruebas de medias de Tukey y T-test con corrección de Bonferroni. El estudio incluye una evaluación de la dureza de las probetas, donde se evidencia que las fibras de carbono contribuyen a la dureza del material, reduciendo la penetración de la punta del durómetro, mostrando una mayor resistencia al desgaste y menor deformación plástica. En términos de rugosidad superficial, se observa que el desgaste afecta principalmente las capas superficiales de Nylon, se evidencia que no hay diferencia entre la rugosidad de las probetas con fibra de refuerzo contra las probetas sin fibra de refuerzo. Los parámetros de impresión, como la altura de capa, el refuerzo de fibra continua de carbono, el relleno triangular al 37% de densidad y dos anillos de pared, demostraron ser un complemento estructural adecuado en la prueba de desgaste. La configuración utilizada en este estudio, con la densidad recomendada por el fabricante de la impresora y el relleno triangular, logró preservar la probeta en su integridad estructural sin necesidad de aumentar la densidad del patrón estructural. Las observaciones con microscopía electrónica de barrido (SEM) revelan mecanismos de abrasión típicos de desgaste a tres cuerpos, como desprendimiento de material causado por la fricción a tres cuerpos, generando agujeros por arrastre de material debido a las virutas generadas por micro grietas observadas a 5000X. Estos hallazgos son consistentes con estudios previos que muestran la importancia de la inclusión de las fibras en la resistencia al desgaste de materiales impresos 3D con tecnología CFF. (Texto tomado de la fuente).

The objective of this master's thesis is to characterize the three-body abrasive wear behavior of additively manufactured materials reinforced with continuous carbon fibers. A rubber wheel dry sand tribometer was employed according to the ASTM G65 standard. The selected materials include Nylon and Onyx® reinforced with continuous carbon fibers, chosen for their mechanical properties provided by Markforged and for their broad application in the industry. A completely randomized design (CRD) is applied to analyze the wear test results based on the orientation of the reinforcement fibers (0°, 90°, 45°-135°, isotropic, and without fiber). It is observed that the addition of continuous carbon fibers significantly improves the wear resistance of the reinforced specimens, regardless of fiber orientation, which is confirmed by ANOVA results and mean comparison tests, such as Tukey’s test and T-test with Bonferroni correction. The study includes an evaluation of the hardness of the specimens, where it is evident that carbon fibers contribute to the material's hardness, reducing the penetration of the durometer tip and indicating higher wear resistance and less plastic deformation. In terms of surface roughness, it is observed that wear primarily affects the Nylon surface layers, and there is no difference in roughness between the reinforced and non-reinforced specimens. Printing parameters, such as layer height, continuous carbon fiber reinforcement, 37% triangular infill density, and two wall rings, proved to be a suitable structural complement in the wear test. The configuration used in this study, with the printer manufacturer’s recommended density and triangular infill, successfully maintained the specimen's structural integrity without increasing the structural pattern's density. Scanning electron microscopy (SEM) observations reveal typical three-body wear mechanisms, such as material detachment caused by three-body friction, resulting in drag holes due to chips generated by microcracks observed at 5000X magnification. These findings are consistent with previous studies showing the importance of fiber inclusion in the wear resistance of 3D-printed materials using CFF technology.