Materiales Compuestos con Refuerzos de Fibra de Yute en la Fabricación de Ayudas Técnicas para Discapacitados

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1 MATERIALES COMPUESTOS 11 1 Materiales Compuestos con Refuerzos de Fibra de Yute en la Fabricación de Ayudas Técnicas para Discapacitados D. R. Hernández Ochoa Centro de Estudios CAD/CAM. Facultad de Ingeniería. Universidad de Holguín, Cuba A. T. Pérez Rodríguez Grupo de Investigación de Materiales y Ambiente. Dpto. de Física y Química. Facultad de Ingeniería. Universidad de Holguín, Cuba. R. Beltrán Reyna Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. Universidad de Granma, Cuba. RESUMEN En la actualidad ha venido creciendo el interés en el uso de los bio-composites en diferentes aplicaciones, estos están constituidos por fibras naturales como refuerzo y por polímero por matriz. Los bio-composites tienen importantes ventajas tales como ser ecológicos, ligeros, biodegradables y de bajo costo. El objetivo de este trabajo es evaluar la posibilidad de sustituir los protectores laterales plásticos de las sillas de ruedas por similares de compuesto de fibra natural de yute utilizando como matriz poliéster insaturado. Concluyendo que esta sustitución es viable empleando el método de inyección de resina Vacum Infusion. 1. INTRODUCCION En la producción de ayudas técnicas para discapacitados se emplean cada vez más piezas de material termo plástico, obtenidas por procesos de inyección en moldes con un alto coste de fabricación que se amortizan cuando existen grandes volúmenes de producción, sin embargo en empresas con volúmenes de producción pequeños y en países poco industrializados resulta imposible asumir los costos de máquinas de inyección de plástico y la fabricación de moldes. El objetivo de este trabajo es evaluar la posibilidad de sustituir los protectores laterales plásticos de las sillas de ruedas por similares de compuesto de fibra natural de yute, utilizando como matriz al poliéster insaturado, empleando el método de fabricación de inyección de resina Vacum Infusion. El método consiste en hacer ingresar la resina líquida catalizada, efectuando vacío en el molde cerrado que contiene el refuerzo. La misma cura dentro del molde, cuando ya posee integridad estructural es desmoldada y se somete a un proceso de postcurado en una estufa. Se elige esta técnica debido a la facilidad de implementación en empresas pequeñas y el buen acabado del producto final. 2. CARACTERIZACION DEL COMPUESTO YUTE - POLIÉSTER El material compuesto de fibra natural de yute en matriz de poliéster insaturado ha sido estudiado por varios autores que indican que puede llegar a ser una alternativa de uso similar a los compuestos de fibra de vidrio en matriz de poliéster insaturado [Roe et al.

2 MATERIALES COMPUESTOS 11 2 (1985), Rodríguez et al. 2005, Doan 2006, Cavalcanti 2010 y Sever et al. 2010]. La estructura del refuerzo tejido elaborado con fibra natural de yute se muestra en la Figura 1 y las Tablas 1 y 2 resumen la composición y propiedades de la misma. Fig. 1 Tejido empleado como refuerzo elaborado con la fibra natural de yute. Componentes de la Fibra de Yute (%) Celulosa 64.4 Hemi-celulosa 12.0 Pectina 0.2 Lignina 11.8 Sustancias solubles en agua 1.1 Cera 0.5 Agua 10.0 Tabla 1. Composición de la fibra natural de yute (Doan 2006). Fibra Módulo de Young s (GPa) Resistencia en Tracción (MPa) Densidad especifica Espesor (mm) Yute Tabla 2. Propiedades de la fibra natural de yute (Rodríguez et al. 2005). Compuesto Modulo a Flexión (GPa) Resistencia a Flexión (MPa) Yute Poliéster Insaturado Tabla 3. Propiedades del compuesto yute - poliéster a flexión (Sever et al. 2010). 3. ANALISIS DEL DISEÑO La pieza de la silla de ruedas para discapacitados seleccionada por su destino de servicio pasivo y baja exigencia de resistencia mecánica es el protector lateral que evita que las salpicaduras de barro y agua caigan sobre la persona con discapacidad durante su desplazamiento en este tipo de ayuda técnica. La conformación geométrica del protector lateral es sencilla en forma de chapa y es de fácil montaje quedando fija con 4 tornillos al marco del apoyabrazos como se muestra en la Figura 2.

3 MATERIALES COMPUESTOS 11 3 Fig. 2 Colocación del protector lateral de la silla de rueda para discapacitado. La configuración plana constituye una ventaja para la fabricación por el método de inyección de resina Vacum Infusion, como se muestra en la Figura 3. a) b) Fig. 3 a) Molde del protector lateral. b) Fabricación por inyección de resina. El protector lateral puede ser pintado o pulido como se muestra en Figura 4 a) b) Fig. 4 Colocación del protector lateral en él apoyabrazos a) Vista interior b) Vista exterior.

4 MATERIALES COMPUESTOS ANALISIS Y DISCUSION Para la realización del presente estudio se utilizó el software SolidWorks Premium 2010 el cual permite crear a partir de superficies modelos CAD que se pueden analizar empleando el módulo Simulation, para materiales compuestos modelados con elementos finitos tipo SHELL, para realizar el análisis se emplearon 2 capas de yute en matriz de poliéster cuyas propiedades se muestran en la Tabla 4. Compuesto Modulo a Flexión (GPa) Resistencia a Flexión (MPa) Módulo de elasticidad en X N/mm² Módulo de elasticidad en Y N/mm² Coeficiente de Poisson en XY N/D Densidad de masa kg/m³ Límite de tracción en X 20.8 N/mm² Límite de tracción en Y 20.8 N/mm² Límite de compresión en X 20.8 N/mm² Límite de compresión en Y 20.8 N/mm² Módulo cortante en XY N/mm² Límite cortante en XY 30 N/mm² Límite elástico 380 N/mm² Tabla 4. Propiedades del material compuesto yute poliéster (Rodríguez et al. 2005). Sobre el modelo actúan las cargas equivalentes N, estas fuerzas son producto de la acción que ejercen los laterales de la silla de rueda sobre los tubos del marco de los apoya brazos y estos a su vez sobre el protector lateral de la silla, debido a las desviaciones en forma de hamaca que ocurren en las crucetas de la silla de rueda al desplazarse por diferentes terrenos y estos desplazamientos se ven reflejados sobre los protectores laterales de la silla de ruedas tal como se muestra en la Figura 5. Fig. 5 Restricciones y cargas que actúan sobre el marco del apoya brazos de la silla de ruedas para discapacitados. El análisis de tensiones y desplazamientos en el eje X constituye el aspecto fundamental del estudio tal como se puede apreciar en las Figuras 6 y 7 cuyos valores máximos y mínimos se ilustran en la Tabla 5

5 MATERIALES COMPUESTOS 11 5 Eje Tensiones Max. (N/mm²) Tensiones Min. (N/mm²) Desplazamientos Max. (mm) Desplazamientos Min. (mm) X Tabla 5. Valores máximo y mínimos de tensiones y desplazamientos en el eje X Fig. 6 Representación gráfica de las tensiones en el eje X. Fig. 7 Representación gráfica de los desplazamientos en el eje X. 5. CONCLUSIONES Los resultados muestran que es posible la sustitución de los protectores laterales plásticos de las sillas de ruedas para discapacitados, por similares de compuesto de fibra natural de yute utilizando como matriz al poliéster insaturado.

6 MATERIALES COMPUESTOS 11 6 AGRADECIEMIENTOS Los autores desean agradecer al proyecto AECI PCI (A/025141/09 - A/030771/10) Concepción y Fabricación de Ayudas Técnicas para Discapacitados Físicos Con Materiales Compuestos de Bajo Costo y al grupo de investigación Análisis y Materiales Avanzados para el Diseño Estructural de la Universidad de Girona, el apoyo para la realización de la presente investigación. REFERENCIAS CAVALCANTI, W. S. LIMA, A. G. B. CARVALHO, L. H. (2010) Water Sorption in Unsaturated Polyester Composites Reinforced With Jute and Jute/Glass Fiber Fabrics: Modeling, Simulation and Experimentation, Polímeros: Ciência e Tecnologia, Vol. 20, No. 1, pp DOAN, THI THU LOAN (2006) Investigation on jute fibres and their composites based on polypropylene and epoxy matrices, Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur, pp MIAHA, M. J., KHANB, M. A., KHAN, R. A. (2011) Fabrication and Characterization of Jute Fiber Reinforced Low Density Polyethylene Based Composites: Effects of Chemical Treatment, Journal of Scientific Research Publications. Vol. 3, No. 2, pp RODRÍGUEZ, E. PETRUCCI, R. PUGLIA,D. KENNY, J. M. VÁZQUEZ, A. (2005). Characterization of Composites Based on Natural and Glass Fibers Obtained by Vacuum Infusion. Journal of Composite Materials Vol. 39, No. 3, pp , American Society for Composites RODRÍGUEZ, E. VÁZQUEZ, A. (2003). Propiedades Mecánicas de Materiales Compuestos con Fibras Naturales Obtenidos Mediante la Técnica de Vacuum Infusion. Jornadas SAM/ CONAMET/ Simposio Materiales Vol , N, pp ROE, P. J., ANSELL, M. P. (1985) Jute-reinforced polyester composites, Journal of Materials Sscience No. 20, pp SEVER, K. SARIKANAT, M. SEKI, Y. ERKAN, G. ERDOGAN, U. H. (2010). The Mechanical Properties of ϒ-Methacryloxypropyltrimethoxy silane - treated Jute/Polyester Composites, Journal of Composite Materials Vol. 44, No. 15, pp , American Society for Composites