Predicion of Elastic Properties of Carbon Plastics Obtained by Vacuum Bag Resin Infusion and Direct Prepreg Pressing Technologies

Resumen Técnico: Predicción de las Propiedades Elásticas de Plásticos de Carbono Obtenidos mediante las Tecnologías de Infusión de Resina por Bolsa de Vacío y Prensado Directo de Preimpregnados

Planteamiento del Problema
El desarrollo de estructuras biomédicas avanzadas, particularmente las prótesis de pie de almacenamiento y liberación de energía (ESR), requiere materiales compuestos de fibra de carbono (CFCM) con características precisas de rigidez y resistencia. Estos componentes deben soportar cargas significativas (hasta cuatro veces el peso del paciente) manteniendo un peso mínimo y una deformación predecible (deflexión de 5–20 mm). Un desafío crítico radica en la selección de la tecnología de fabricación adecuada y la disposición espacial de los componentes para lograr estas propiedades elásticas específicas. Si bien la infusión de resina por bolsa de vacío (VBRI) y el prensado directo de preimpregnados (DPP) se utilizan ampliamente, existe la necesidad de comparar sus propiedades mecánicas resultantes y de validar los modelos de homogeneización para predecir los módulos elásticos efectivos de los materiales ortotrópicos resultantes.

Metodología
El estudio empleó un enfoque comparativo que involucró tanto pruebas experimentales como predicción analítica:

• Preparación de Muestras: Se fabricaron cinco series de especímenes de CFCM utilizando dos tecnologías distintas:

  • VBRI: Utilizando tejidos de carbono (T300 twill, T700 unidireccional) y un sistema de resina epoxi (EPR320 + EPH550).
  • DPP: Utilizando tejidos de carbono preimpregnados (YZ-05 T700 twill y unidireccional) prensados en una prensa hidráulica.
  • Los especímenes presentaron esquemas de laminado variables (mezclas de tejidos unidireccionales y twill) para lograr un espesor objetivo de aproximadamente 4 mm. Las fracciones de volumen de fibra se calcularon basándose en mediciones de densidad, revelando niveles de refuerzo más altos en los especímenes de DPP (hasta 69%) en comparación con los de VBRI (aprox. 50–52%).

• Pruebas Experimentales:

  • Compresión Uniaxial: Realizada en una máquina Instron 8801 (ASTM D3410) para determinar los módulos elásticos de compresión.
  • Flexión de Tres Puntos: Realizada en una máquina TestSystems UTS-111.2-10-12 (ASTM D790) para determinar los módulos elásticos de flexión.
  • Las pruebas se realizaron en las series N1, N3, N5, N7 y N19, calculando los módulos elásticos a partir de la región elástica lineal de los diagramas de esfuerzo-deformación.

• Predicción Analítica:

  • Se aplicó un enfoque de promediado de dos etapas basado en la teoría clásica de laminados.
  • Nivel Micromecánico: Los módulos elásticos de las capas individuales se calcularon promediando las propiedades de la fibra y la matriz utilizando los modelos de Voigt (Regla de Mezclas) y Halpin-Tsai.
  • Nivel Macromecánico: Las propiedades de la estructura estratificada se promediaron utilizando los coeficientes de la ley de Hooke generalizada, teniendo en cuenta los ángulos de orientación de la fibra y el espesor de la capa.

Resultados Clave

• Influencia de la Fabricación: Los especímenes producidos mediante el Prensado Directo de Preimpregnados (DPP) exhibieron consistentemente módulos elásticos y resistencia a la tracción más altos en comparación con los producidos mediante la Infusión de Resina por Bolsa de Vacío (VBRI). Esto se atribuye al mayor volumen de fracción de fibra de carbono logrado en DPP (aprox. 63–69%) frente a VBRI (aprox. 50–52%).
• Flexión vs. Compresión: Se observó una discrepancia significativa entre los modos de carga. Los módulos elásticos de compresión fueron aproximadamente la mitad de los valores de los módulos de flexión para la misma serie, y las deformaciones de rotura fueron de 1.5 a 2.5 veces mayores en compresión.
• Precisión del Modelo:
  • Flexión: El modelo analítico mostró una correlación razonable con los datos experimentales de flexión para las series N1, N3, N5 y N7, aunque tendió a sobreestimar los valores (diferencias de entre el 5% y el 32%). La corrección de Halpin-Tsai no alteró significativamente las predicciones para las capas unidireccionales de alto volumen orientadas a lo largo del eje de carga.
  • Compresión: El modelo demostró limitaciones significativas en la predicción del comportamiento de compresión. Las discrepancias entre los módulos de compresión calculados y experimentales fueron sustanciales (1.5 a 2.3 veces superiores en los cálculos).
  • Excepción (Serie N19): La serie N19, caracterizada por una alta proporción de tejido twill y orientaciones de fibra a 45°, mostró un resultado único donde los módulos de compresión calculados y experimentales casi coincidieron (4% de diferencia), aunque la predicción de flexión siguió siendo inexacta (80% de diferencia).

Significancia y Conclusiones
El estudio concluye que, si bien los modelos de promediado secuencial (Voigt y Halpin-Tsai combinados con la teoría clásica de laminados) pueden predecir los módulos elásticos de flexión de los CFCM ortotrópicos con una precisión de al menos el 35% para laminados específicos, tienen una aplicabilidad limitada para predecir las propiedades de compresión. La divergencia significativa en los resultados de compresión sugiere que los modelos de homogeneización actuales no logran considerar la heteromodalidad (diferentes módulos en tracción vs. compresión) y las heterogeneidades microestructurales específicas.

Los autores afirman que tanto las tecnologías VBRI como DPP son viables para producir elementos estructurales para prótesis de pie, siempre que el contenido de fibra de carbono sea suficiente. Sin embargo, para un diseño preciso de componentes biomédicos, la dependencia exclusiva de los modelos de homogeneización estándar para la rigidez de compresión es insuficiente. Las mejoras futuras en la precisión de la predicción requieren modelos que incorporen secuencias de apilamiento, tipos de tejido y comportamientos distintos de tensión-compresión, junto con una mayor caracterización experimental bajo tracción uniaxial y torsión.