Con base en la norma ASTM D638 [7] se determinaron las dimensiones máximas que puede tener la probeta para ensayos en plásticos, la cual tiene un diámetro en su sección calibrada de 11,2 mm. Por otra parte, con esta misma norma se determinó la velocidad máxima de prueba durante un ensayo que es de 510 mm/min. La fuerza máxima de prueba se estimó considerando el área máxima de una probeta típica que es de 98,1 mm 2 (con base en la norma ASTM D638) y la resistencia de la poliamida PAI (uno de los termoplásticos más resistentes) [1], cuya resistencia a la tracción es de 186 MPa. Con base en estas consideraciones se determinaron las especificaciones de la máquina de ensayo, las cuales se resumen en la Tabla 1.

La rigidez presentada en la Tabla 1 se estimó considerando la longitud calibrada de 57 mm correspondientes a probetas tipo I, II y III descritas en la norma ASTM D638, con un área transversal de 98,1 mm 2 y un módulo de rigidez de 5000 MPa, valor representativo de un plástico rígido como la poliamida [16]. Esta rigidez es la máxima esperada en una probeta plástica de las características descritas y, por tanto, la mínima que debe tener la máquina de ensayos para no presentar una distorsión excesiva de sus elementos durante un ensayo.

Tabla 1

La matriz morfológica presentada en la Figura 3 permitió considerar varias configuraciones de componentes y sistemas para la prensa. Se eligieron componentes fáciles de adquirir localmente y que cumplían las demandas mecánicas, electrónicas y de programación para el desarrollo del prototipo.

En la configuración escogida la probeta es tensionada por un mecanismo de dos tornillos de potencia que mueven un travesaño, al cual se une una celda de carga que contiene una mordaza, mientras la otra mordaza se fija a una placa que hace parte del bastidor del equipo (Figura 4).

Figura 3

Con base en un análisis de configuraciones de máquinas existentes (Figura 2), se eligió la configuración de doble columna que ofrece alta rigidez, capacidad de carga y un amplio espacio de trabajo que permita ensayos de compresión o flexión con el uso de accesorios que pueden desarrollarse en el futuro (Figura 4). El mecanismo de tornillos tiene una alta ventaja mecánica, por lo que el sistema de accionamiento resulta compact

Figura 4

La configuración del mecanismo de transmisión se muestra en la Figura 5. Se eligieron tornillos de potencia, como, por ejemplo, el sistema para convertir el movimiento rotatorio del motor en movimiento de lineal transmitido a la probeta. Se eligieron tornillos de rosca ACME de 1” 3/8” de diámetro nominal, cuatro hilos por pulgada y una sola entrada, los cuales son fácilmente maquinados y adquiridos por metros en el mercado local. A estos tornillos se le realizaron los cálculos de torque de elevación, eficiencia y carga crítica de pandeo, descritos en detalle por Shigley [13] y cuyo resumen se presenta en la Tabla 2. La carga crítica de pandeo fue 1727 % mayor que la fuerza máxima esperada en cada tornillo, la cual sería la mitad de presentada en la Tabla 2, por lo cual los tornillos tienen la rigidez suficiente para la aplicación elegida.

Tabla 2

La rosca cuadrada es más eficiente que la ACME, sin embargo, esta última es más fácil de maquinar y, por esta razón, se eligió en el diseño.

Figura 5

La potencia mecánica teórica se calculó como el producto de la fuerza y la velocidad máxima esperadas durante los ensayos (véase la Tabla 1) y resulto ser de 155,2 W. Esta potencia se amplificó por un factor de 1,3, considerando una posible sobrecarga del 30 % de la fuerza máxima especificada. Con esta potencia nominal y con la eficiencia de los tornillos (véase la Tabla 2) se determinó que la potencia real del motor necesaria para mover el sistema a plena carga es de 733W. Por tanto, se eligió un motor Siemens referencia 1LE0142 de una potencia nominal de 746 W (1 Hp) girando a 1720 rpm. El motor está acoplado a un reductor (referencia HU50615) de la misma potencia y una relación de 20:1, lo cual garantiza una velocidad nominal del travesaño de 546 mm/min, calculada como la velocidad de rotación en la salida del reductor (86 rpm) multiplicada por el avance del tornillo (6.35 mm). Esta velocidad es mayor que la velocidad máxima requerida en ensayos de plásticos, por lo cual se usó un variador de velocidad marca Allen Bradley (modelo A4P5N104), de la misma potencia del motor y reductor, que permite configurar la velocidad requerida durante las pruebas. Para el movimiento de los tornillos se eligió una transmisión comercial por cadena con dos ruedas dentadas ANSI N. o 35 de paso 3/8”.

Con el análisis mecánico de elementos finitos a los principales componentes de la máquina tales como el tornillo, la placa base, el cabezal y las mordazas se determinaron los esfuerzos y desplazamientos máximos (véanse las figura 6 y 7), cuyo resumen se presenta en la Tabla 3. Los factores de seguridad se calcularon con base en la resistencia última del acero A-36 que es de 400 MPa [17]. Los tamaños de malla usados en los análisis con los modelos se definieron con base en un análisis de convergencia automático usado por el programa con diferencias en desplazamientos inferiores al 5 % entre mallas sucesivas.

Tabla 3

De acuerdo con estos análisis se estimó la rigidez de cada elemento. La rigidez global entre mordazas se calculó como la rigidez equivalente de resortes en serie y paralelo, y fue de 14181 N/mm; este valor es 64 % mayor que la rigidez mínima determinada en las especificaciones (Tabla 1).

Figura 6

La construcción se realizó en el taller de máquinas y herramientas de la Corporación Universitaria Autónoma de Nariño y fue realizada por los dos primeros autores, con la asistencia de un técnico. En este proceso se maquinaron componentes simples como placas y perfiles, las cuales luego se juntaron con procesos de soldadura (Figura 8).

Para el registro de datos se usaron componentes comerciales tales como una tarjeta Arduino Uno y una celda de Carga tipo S de 50000 N (Figura 9). Estos componentes fueron configurados y programados para brindar una alta flexibilidad y exactitud al proceso de control y registro. El sistema de adquisición de datos se diseñó con una interfaz electrónica a fin de conectarse con un computador en el que es posible adquirir y registrar los datos de los ensayos. Se utilizó la herramienta de código abierto NetBeans de Java para desarrollar esta interfaz.

Figura 7

Figura 8

Figura 9

El prototipo terminado se muestra en la Figura 10.

Figura 10

Para verificar el funcionamiento del prototipo se llevaron a cabo dos ensayos con probetas plásticas. Los resultados de un ensayo en una probeta de nylon se muestran en la Figura 11. La probeta tuvo una longitud y área inicial de 68,5 mm y 145,7 mm 2 en la zona calibrada, respectivamente. Los ensayos se llevaron a cabo con control de desplazamiento a una velocidad de 0,5 mm/s. Se determinó una resistencia última nominal de 117 MPa.

Figura 11

Dado que durante los ensayos no se dispuso de un registro electrónico de desplazamiento, se realizó este registro con un calibrador para cada nivel de carga. Por tanto, no se tuvo la suficiente resolución para medir la pendiente inicial de la curva, la cual representa el módulo de elasticidad [18]. La probeta fue llevada hasta la falla (Figura 12).

Figura 12