Desarrollo de metodologías para la aceleración de ensayos de cargas mecánicas cíclicas
02/06/2025
Miguel Ángel Mafé, investigador en Caracterización y Ensayos de Materiales en AIMPLAS explica detalles del proyecto EXHAUSTION para acelerar los ensayos de cargas mecánicas cíclicas en materiales.
El uso de polímeros y materiales compuestos se ha consolidado como solución clave en sectores industriales, especialmente en estructuras sometidas a cargas cíclicas. Comprender su comportamiento a fatiga es esencial para el diseño del material, la optimización estructural y la definición de sus límites operativos. La fatiga se manifiesta como una degradación progresiva de propiedades mecánicas, con pérdida de rigidez, deformación acumulada y rotura por microdaños internos.
Este deterioro depende de factores como amplitud y frecuencia de carga, temperatura, humedad y condiciones del ensayo. Su análisis permite simular condiciones reales y estimar la vida útil del material. Esto es crítico en sectores como transporte, naval y energía, especialmente en aerogeneradores, donde las palas soportan millones de ciclos durante su vida útil.
La innovación avanza hacia termoplásticos reforzados con fibras continuas (organosheets), más sostenibles que los composites termoestables. Aunque presentan ventajas en reciclabilidad y fabricación, su comportamiento a fatiga aún está en desarrollo, por lo que es necesario establecer métodos de ensayo adecuados para predecir su rendimiento en servicio.
Ensayos de fatiga
Los ensayos de fatiga se definen por parámetros como frecuencia de carga, relación de tensiones (R) y condiciones ambientales. La frecuencia es clave: aunque suele no afectar la vida a fatiga, en termoplásticos puede inducir calentamiento por efectos viscoelásticos, alterando su comportamiento. Los ensayos convencionales para alcanzar 10⁷ ciclos a frecuencias moderadas (5 Hz) pueden durar semanas por muestra. Esto impulsa el desarrollo de estrategias de ensayo acelerado que permitan predecir rápidamente la resistencia a fatiga sin perder precisión.
En este contexto, la investigación realizada en el marco del proyecto EXHAUSTION aplica el fenómeno de autocalentamiento (self-heating) —ligado al comportamiento viscoelástico— para acelerar los ensayos. Esta técnica, ya validada en metales y algunos composites termoestables, se adapta aquí a termoplásticos con distintas matrices y refuerzos. La metodología se basa en correlacionar la temperatura alcanzada durante la carga cíclica con el daño acumulado. Mediante escalonamientos de carga, se monitoriza el aumento térmico hasta su estabilización, lo cual permite estimar el límite de fatiga y sirve como herramienta rápida para seleccionar materiales y optimizar futuros ensayos.
El material analizado es un composite comercial de poliamida con refuerzo de fibra de carbono en formato tejido, Dynalite 102-RG600 de LANXESS. Presenta una estructura de ocho capas con 2 mm de espesor. La metodología aplicada requiere definir parámetros específicos, como:
Frecuencia de ensayo
Relación de tensiones (R)
Temperatura alcanzada y estabilizada
Número de ciclos por nivel de carga
Tiempo entre bloques para disipar calor acumulado
Estos parámetros permiten configurar el ensayo de forma fiable. A partir de esta metodología, se aplican los enfoques de Risitano y Luong, utilizando el criterio de Huang para identificar cambios de pendiente entre segmentos de datos y predecir el límite de fatiga. A continuación, se presenta la Figura 1, mediante la cual se definen los procesos y los tiempos de enfriado entre ciclos de carga y calentamiento viscoelástico.
Con ello, también se establecen los parámetros en la Tabla 1, que definen la batería de ensayos para poder seguir con el estudio de independencia de ciclos en la metodología de predicción de ensayos cuando se centra el estudio sobre esta tipología de matriz y fibra. Además de un esquema de procedimiento del ensayo de sucesión de cargas y ciclos en la Figura 2.
Igualmente, también se evalúan los tiempos y duración de los ensayos cuando se enfrentan ambos enfoques de predicción de vida a fatiga en la Tabla 2.
Resultados
Los resultados de los ensayos realizados por AIMPLAS muestran la correlación entre esfuerzos, ciclos y temperatura estabilizada. Se analiza también la independencia del número de ciclos y se compara la precisión de los métodos de Risitano y Luong para definir el más fiable, esto puede verse en la siguiente Tabla 3. Teniendo en cuenta que el estudio de independencia de frecuencia se observa también en las correlaciones de comportamiento mostradas en la Figura 3.
El estudio demuestra mejoras en la precisión de los métodos aplicados. Se confirma que la temperatura alcanzada no depende de la frecuencia, aunque frecuencias mayores aceleran el calentamiento. También se valida el fenómeno de autocalentamiento en el material PA+CF, lo que respalda la metodología usada.
Para trabajos futuros, se propone aplicar esta metodología a nuevos materiales y considerar el preacondicionamiento, ya que las tensiones residuales del proceso de fabricación podrían afectar el comportamiento. También se sugiere usar incrementos de carga más pequeños para mejorar el control térmico y la precisión en la predicción del límite de fatiga.
El proyecto EXHAUSTION cuenta con la financiación del Insituto Valenciano de Competitividad e Innovación (IVACE+i), a través de los fondos FEDER. Estas ayudas están dirigidas a centros tecnológicos de la Comunitat Valenciana para el desarrollo de proyectos de I+D de carácter no económico realizados en cooperación con empresas para el ejercicio 2024.
Por Miguel Ángel Mafé, investigador en Caracterización y Ensayos de Materiales en AIMPLAS, Instituto Tecnológico del Plástico.
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