USO DEL POLICARBONATO EN UN CANDADO PARA INCREMENTAR SU RESISTENCIA A IMPACTOS 1 Chávez Luna Alfredo, 1 Oliva Rangel Martín, 1 Ferrer Ortega Sergio

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1 USO DEL POLICARBONATO EN UN CANDADO PARA INCREMENTAR SU RESISTENCIA A IMPACTOS 1 Chávez Luna Alfredo, 1 Oliva Rangel Martín, 1 Ferrer Ortega Sergio 1 Dirección de Maquinas Especiales, CIATEQ AC, Av. Manantiales 23A, Parque Industrial Bernardo Quintana, El Marqués, Querétaro. Teléfono: (442) , Fax: (442) alchavez@ciateq.mx, maolra@ciateq.mx, sfero@ciateq.mx RESUMEN. En este artículo se presenta el diseño a un candado para aumentar su capacidad para soportar la energía proporcionada por un conjunto de impactos. Por medio de un análisis de impacto realizada en elementos finitos se verifica el comportamiento de un polímero bajo la acción de las cargas de impacto y de está manera se evita la destrucción de los componentes metálicos con que cuenta el candado. A través de una serie de pruebas aplicadas a prototipos se verificó el comportamiento que presenta el candado. dirección paralela al eje axial del seguro con el objetivo de tratar de abrir el candado. ABSTRACT. This article presents the design of a lock to improve its ability to withstand the energy provided by a set of impacts. Through impact analysis conducted by finite element is verified the behavior of a polymer under the action of impact and avoiding the destruction of metal components that are use in the lock. Through a series of tests under prototypes are verified the behavior of the lock. INTRODUCCIÓN Los candados son elementos utilizados para el resguardo e integridad de equipos o sistemas dentro de un gabinete o contenedor. Los candados deben tener la capacidad de soportar las condiciones ambientales y las diferentes tipos de carga que se producen cuando se intenta violarlo mediante diferentes métodos, golpes, doblándolos. Debido a esto los candados deben de pasar por un conjunto de pruebas para garantizar el adecuado desempeño del componente durante su vida útil. Dentro de las pruebas a las que debe ser sometido el candado se encuentra la de impacto, mediante la cual se aplican 5 impactos con una energía de 44 J por cada uno de ellos, los impactos se realizan en Figura (1). Esquema del candado. El candado a analizar está constituido por un conjunto de componentes metálicos cuyas dimensiones son relativamente pequeñas y estos componentes están contenidos en un cuerpo de plástico. En la figura (1) se muestra el esquema del candado, así como la dirección de la carga a que esta sometido durante las pruebas. Los principales componentes del candado y los encargados de soportar las cargas sometidas al candado se muestran en la figura (1), el seguro es un componente fabricado en acero con un esfuerzo de fluencia de 630 MPa, el anillo de retención presenta un esfuerzo de fluencia de 340 MPa y el esfuerzo de fluencia del anillo-seguro es de 540 MPa, ambos componentes también están fabricados en acero. Todos los componentes metálicos presentan un recubrimiento electrolítico para evitar su deterioro por el ambiente. El candado se diseño de esta forma ya que debe de soportar también una carga de tensión de N aplicada durante las pruebas de evaluación. Después de ser sometidos los candados a las pruebas de evaluación no pasaron la prueba de

2 impacto, debido a que durante el tercer impacto los candados se abrían resultado de la fractura del seguro producida en el cuello que sostiene el anillo-seguro tal como se muestra en la figura (2) o el anillo-seguro sufría una fracturan de tipo cizalla liberando de esta forma el seguro. Estas fallas se originaron porque los componentes presentan una mediana capacidad de absorber la energía del impacto como resultado de sus propiedades mecánicas y que el volumen del material que esta sometido al impacto es relativamente pequeño. Por ejemplo el anilloseguro sólo puede resistir un impacto con una energía 19.2 J dentro de la zona elástica. Dentro de los polímeros que presentan las características anteriores se seleccionó el policarbonato (PC) debido a sus propiedades mecánicas, las cuales dependen en gran medida de la temperatura y de la rapidez con que el material es deformado, obteniendo de esta manera una gran capacidad a soportar impactos. También se selecciona el material por características de apariencia deseadas en el producto final. La curva esfuerzo deformación del Policarbonato se muestran en la figura (3) tanto para una prueba de compresión cuasiestática como dinámica. Se puede observar que el esfuerzo de fluencia se incrementa linealmente con la velocidad de deformación del policarbonato. En la figura (3) también se puede observar la presencia de dos regiones dentro de las curvas de esfuerzo-deformación cuya transición se encuentra con una velocidad de deformación de ε& = 1.5e2 s -1 [2]. Figura (2). Anillo-seguro y seguro después de impactos. Para aumentar la capacidad del candado para soportar el impacto, se podría realizar por medio de dos formas, incrementando las resistencia de los componentes metálicos por medio de tratamientos térmicos, lo cual implica un mayor control en el proceso de fabricación, o a través del uso de un componente que absorbiera una gran proporción de la energía inducida por el impacto a través de su deformación elástica y plástica, pero manteniendo la integridad del candado para que éste no se abriera. Por ello se consideró el uso de un polímero para la fabricación de un componente adicional al candado, pero éste debería de presentar las siguientes características para ser adecuado para la aplicación. Resistencia a los impactos, permitiendo absorber la energía del impacto por medio de una deformación elástica o plástica Estabilidad dimensional. Buena resistencia a los rayos ultravioleta. Adecuadas propiedades mecánicas. Figura (3). Curva esfuerzo deformación del policarbonato [3]. Análisis numérico La predicción del comportamiento del candado con la inserción de un componente fabricado de policarbonato cuyo volumen es de mm 3 sometido a impactos, se realizó en ANSYS Multiphisics/LS-DYNA, para ello se empleó el elemento de ocho nodos. En la figura (4 y 5), se muestra un esquema del candado, así como el modelo de elementos finitos del mismo. Los componentes metálicos tales como el seguro y anillo-seguro se modelaron a través de un comportamiento no lineal del tipo bilineal y cuyos parámetros están dados en la tabla 1. El policarbonato bajo condiciones de compresión y tensión uníaxial también presenta un

3 comportamiento no lineal tipo bilineal [1], pero éste depende de la velocidad de deformación. Tabla 1. Parámetros. Anilloseguro Seguro Policarbonato Densidad (kg/m³) Modelo de elasticidad (GPa) Relación Poisson Esfuerzo de fluencia (MPa) Modulo tangente (MPa) Los parámetros tomados para el policarbonato se obtuvieron para una velocidad de deformación -1 de ε& = 2.8e2 s y este es resultado de la velocidad lineal del objeto con que es aplicado el impacto en la prueba. En el modelo de elementos finitos, el anillo de retención y la cubierta se consideraron como elementos rígidos y con los grados de libertad de translación porque sólo se esta interesado en el comportamiento de los componentes que sufrieron daños durante las prueba realizadas a los candados sin cambios. Figura (4). Esquema del candado modificado. Para corroborar los datos introducidos al modelo de elementos finitos se desarrollo una prueba de impacto, en la cual se utilizaron muestras de policarbonato con un volumen similar al que presenta el componente del candado y cuyos resultados se muestran en la figura (6). La energía absorbida por el componente se puede definir por la energía necesaria para producir una deformación elástica más la energía para producir una deformación plástica del componente más las pedidas por la generación de calor al deformar el componente. En la figura (6) sólo se muestra la energía para producir la deformación plástica del espécimen. La energía necesaria para producir una deformación elástica del espécimen es de 33.1 J. Deformación (mm) y = 0.039x Energia absorbida (J) Figura (6). Curva de comportamiento del policarbonato sometido a impactos. Los impactos en el modelo de elementos finitos se lograron por medio de 5 cuerpos rígidos con una masa de 10.9 kg cada uno, a los 5 cuerpos se les permitió únicamente un solo grado de libertad para sólo tener movimiento en el eje axial del seguro. A cada cuerpo se le aplicó la restricción en el tiempo cero de velocidad de 2.74 m/s. Entre cada cuerpo se definió una distancia para producir un intervalo de tiempo entre cada impacto y permitir la reposición del material después de cada impacto. Resultados de análisis numérico La deformación plástica que presenta el componente de policarbonato después del impacto se muestra en la figura (7), el componente presenta una reducción en su longitud de mm Figura (5). Modelo de elementos finitos del candado modificado

4 Figura (7). Comportamiento del componente de policarbonato. En la figura (8) se muestra el seguro, en ésta se puede observar una deformación en el cuello debido al impacto, el esfuerzo principal máximo en la reducción del área del cuello es de 258 MPa y se presenta una concentración de esfuerzos de 348 MPa en el cambio de sección que existe en el cuello. Figura (8). Esfuerzo en el seguro. La distribución de esfuerzo en el anillo-seguro se muestra en la figura (9), este componente presenta esfuerzos de compresión por uno de sus lados y de tensión en otro lado. Este comportamiento es producido por la forma en que esta restringido y la aplicación de las cargas durante el impacto. La magnitud de los esfuerzos es de 237 MPa y 157 MPa para compresión y tensión respectivamente. Este componente sólo presenta concentración de esfuerzos en las regiones que tienen contacto con el seguro. Figura (9). Esfuerzo en el Anillo seguro. Pruebas al prototipo Se fabricaron un conjunto de prototipos del candado con la implementación del componente fabricado en policarbonato para ser sometido a las pruebas definidas en la especificación CFE G [4] y analizar su desempeño. La prueba de impacto se realizó con condiciones similares a las definidas en el modelo numérico, en la cual se deja caer sobre el candado una masa de 10.9 kg guiada de forma paralela al eje axial del seguro, para obtener la energía de impacto se dejo caer desde una altura de m logrando una velocidad de 2.75 m/s antes del contacto con el candado, figura (10). Con base a la especificación, el candado debe ser sometido a 5 impactos y éste no debe ser destruido para cumplir con la especificación. En la figura (11) se puede observar el candado después de ser sometido a la prueba de impacto. El candado soportó la prueba porque éste no se abrió por los impactos, como resultado de la energía de los impactos se produjo deformación plásticas en el componente de policarbonato, así como en una cubierta plástica que presenta el seguro y debido a ello los impactos no produjeron la apertura del candado.

5 CONCLUSIONES El análisis realizado en el candado permitió predecir el comportamiento que presenta los componentes del candado después de la prueba de impacto. El uso del comportamiento no lineal tipo bilineal para el policarbonato permitió obtener un resultado aproximado del modelo del componente al que éste presentó después de la prueba de impacto. La variación que se presentó entre los resultados de deformación fue del 16%. El uso del policarbonato como un elemento que permite amortiguar y absorber una porción de la energía producida por los impactos durante la prueba evitó la falla de los componentes metálicos, la cual se presentaba en el candado original. REFERENCIAS Figura (10). Prueba de impactos. Figura (11). Candado modificado después de prueba de impactos. [1] C.R. Siviour, S.M. Walley, W.G. Proud, The high strain rate compressive behaviour of polycarbonate and polyvinylidene difluoride, Polymer 46, ELSEVIER, (2005), ScienceDirect, p [2] Sai S. Sarva y Mary Boyce, Mechanics off polycarbonate during high-rate tension, Journal of Mechanics of Materials and structures volumen 2 No 10, Mathematical sciences publishers, (2007), p [3] HU Wenjun, ZHANG Fangju, TIAN Changjin, Dynamic stress-strain response and yield behavior of polycarbonate, Chinese Journal of Materials Research volumen 21 No 4, (2007), p [4] CFE G , Aros de seguridad, perno - candado y perno receptáculo para watthorímetros, Comisión Federal de Electricidad, Especificación, (2008). En la figura (12) se muestra el componente fabricado de policarbonato el cual presenta una reducción en su longitud de 0.6 mm debido a la deformación plástica producida por los impactos. También se observa en la figura (12) el seguro, al igual que el componente de policarbonato, éste presenta una deformación plástica.